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無線電子工学および電気工学の百科事典 熱電発電機。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
熱電発電機は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置です。 熱電発電機は熱電素子に基づいて作られています。 最も効果的な熱発生器は、複雑な半導体化合物を使用したものです。 その電力は数十ワット、効率 - 20% (熱電素子の熱接点と冷接点間の温度差 - 約 1000 K) に達することがあります。 T.G. ロケットエンジン、原子炉、高炉などの運転中に発生する熱を利用する場合に特に効果を発揮します。 熱電発電機は、さまざまな無線機器、通信、照明に電力を供給し、バッテリーを充電するように設計されています。 家庭用熱源（ケロガス、石油ストーブ、ガスバーナー、ストーブ、火）からの熱を電気エネルギーに変換します。 1.固体燃料熱電発電機 TEG は木炭を燃料とし、水または空気によって冷却されます。 設計図を図に示します。 7.3. それらの主な特徴を表に示します。 7.1.
表7.1。 木炭上のTEGの特徴
木炭の燃焼による熱接点の加熱と沸騰水による冷接点の冷却を備えた TEG (図 7.4、7.5 を参照) には、石炭が燃焼する鋳鉄製火室 6 があり、ネック 4 を通ってホッパー 1 に装填されます。燃焼生成物はそこから出ます。パイプ２ 内側ケーシング３と外側ケーシング５の間の空間には沸騰水があり、ＴＥＥＬの冷接点の温度を約１００℃に維持する。 熱電素子８は、雲母の薄い層によって設置構造から電気的に絶縁されている。 ケーシング３とＴＥＥＬとの間の熱接触は、それらの間に注入された低融点合金によって行われる。
TEG には、独立して動作する XNUMX つの TEEL バッテリーがあり、XNUMX つは白熱回路に電力を供給し、もう XNUMX つは（振動トランスデューサーを使用して）アノードおよびグリッド回路に電力を供給します。 このようなＴＥＥＬの欠点は、ＴＥＥＬと冷蔵庫との間の熱接触を確立することが難しいこと、沸騰水が存在すること、および石炭火室を制御することが難しいことである。
木材と石炭のTEG 固体燃料 TEG のさらなる開発により、最大 500 W 以上の出力を備えたさらにいくつかの大型 TEG モデルが作成されました。 これらのユニットは石炭または木材を使用するストーブで、壁に熱電対列が組み込まれていました。 例として、極北向けに開発された、木材、石炭、石油などのあらゆる燃料で動作する 200 および 500 W の発電機を紹介します。 200 W の発電機は 2 時間で約 1 kg の木材を消費しました。 畜産に使用される電気、熱水、蒸気を生成することを目的としていました。 しかし、石炭でのTEGの運転は、燃料の均一な供給を確保することが難しいため、不安定です。 TEG の次の起動には炉の事前クリーニングが必要で、電力に到達するまでに多くの時間がかかりました。 したがって、TEG のさらなる開発は液体燃料を使用する道をたどりました。 固体および液体燃料用の中間TEG 液体燃料の利点により、液体燃料と固体燃料の両方での動作に適した中間設計が出現しました。 このような構造には、図に示す構造が含まれます。 7.6 米国特許による TEG 設置図。
ここでは、直径 145 mm のワイヤーで作られた 0,5 個の熱電素子が、三脚で支えられた直径 5 cm のベークライト ガラスの底に低温端で埋め込まれています。 エレメントのホットエンドは、従来のアルコール バーナーの炎によって加熱されます。 TEEL の 91 つのブランチはコンスタンタンで作られ、もう 9 つはニッケル (6%) とモリブデン (XNUMX%) の合金で作られています。 ジェネレーター出力電圧 XNUMX V。 このスキームは TEG-1 スキームと非常に似ていますが、金属燃料電池を使用し、火をアルコール バーナーに置き換えるという設計が異なります。 2. 液体燃料熱電発電機 TGK-1、TGK-3 および TGK-2-2-TEG タイプの灯油上の TEG は、従来の照明用灯油ランプを熱源として使用することに基づいており、発電とともに光源となります。 TGK-1、TGK-3、TGK-2-2の設計図は同じです。熱い灯油の燃焼生成物がSbZnとコンスタンタンからなるTEELの温接点を加熱し、冷接点には空冷フィンが付いています。 出力はTGC-1が約1,6W、TGC-3が約3Wです。 TGK-3の主な特長を表に示します。 7.2. 表7.2
図では、 図 7.7 は TGK-3 発電機を示しています。TGK-1 発電機は、基本設計が TGK-20 とほとんど変わりませんが、より大きな出力を持っています。 このTEGは、8本の丸芯灯油ランプ7、2と金属製ヒートパイプを使用しています。 図6および7.7に示す。 14、TEEL には 3 面があります。 各 TEEL ブロックは、TGK-1 と同様に 3 つの独立したダブル フィン 8 によって冷却されます。 TGK-1 のランプ 1 の下端からリング 300 までの高さは約 10 m、ラジエーターの直径は XNUMX mm です。 ランプを XNUMX 回補充すると約 XNUMX 時間持続します。 TGK-3 によって生成されるエネルギーは、1 ～ 2 A の電流で 0,3 ～ 0,5 V の電圧、および 90 ～ 120 mA の電流で 8 ～ 11 V の電圧を消費するさまざまなラジオやその他のデバイスに電力を供給するのに非常に十分です。 。 3.ガス燃料のTEG ガスの使用により、入熱の調整が簡素化され (バーナー内のガス圧力を調整することで簡単に実現できます)、さまざまな温度での燃料の良好な燃焼が保証され、スラグの蓄積を伴いません。 これらすべてが、TEG の長期的かつ安定した動作のための条件を作り出します。 特に XNUMX 年代の特徴は、天然ガスと石油を消費の中心地まで長距離輸送するためのパイプラインの建設でした。 これは、最小限のコストでパイプラインの安全性を確保するため、（発電所のない地域で）ガスパイプラインやその他のパイプラインを腐食から陰極防食するために、ガス燃料に TEG を広く使用し始めたことにも関連しています。目的。 迷走電流の領域や攻撃的な土壌に設置されたガスパイプラインは、パイプラインの断熱材が損傷した場所に空洞、瘻孔、その他の損傷が発生した結果、すぐに機能しなくなります。 パイプライン陰極保護ステーションは、0,5 ～ 1 V で最大 10 ～ 20 kW の電力を供給する直流電源で、その負極は絶縁ケーブルを使用してガスパイプラインに接続され、正極は接地されています。 陰極防食のために、TGG-10 や TGG-300 など、出力 10 ～ 16 W の数種類の TEG がロシアで製造されています。 それぞれ 40 つの TEEL バッテリーを搭載し、ガス燃料で動作します。 バッテリーは別々のセクションで構成されています。 熱接点はシルミン熱伝達装置に押し付けられ、冷接点は冷却アルミニウムフィンに押し付けられます。 バッテリーはシリンダー状で、その下部にはガスバーナー (PB-4-0,015) があり、そこに約 XNUMX atm の過剰圧力でガスが供給されます。 TEG の設置には、燃料の供給を遮断できる電磁弁が装備されています。 通常、ガスは修理工や検査員の家に接続されたガスパイプラインから TEG に供給されます。 TGG-10発電機は、灯油ランプの代わりにガスバーナーを使用するだけで、基本的には汎用発電機と動作原理は変わりません。 TEG TGG-16 は、穴あきディスクを使用して高温ガスから熱を除去する改良された方法を使用しています。 このTEGの図を図に示します。 7.8. これらの発電機は 30 分以内に動作温度まで加熱します。 ガス消費量（7000～8000kcal/分）は0,1～0,2m3/hです。 熱効率が低いこれらの設備では、ガス消費量が無視できるため、重要ではありません。主なことは信頼性とシンプルさ、低い運用コストです。
3. 太陽エネルギーを利用した熱電発電機 宇宙用のソーラーTEG。 TEG、その図を図に示します。 7.9 は、体積約 2,5 mm3 の小型燃料電池を 3000 枚の平行板 (金属箔など) の間に約 1 個配置して使用することに基づいています。 2平方メートルあたり; TEEL はプレートから絶縁され、直並列に接続されています。 宇宙空間では、太陽に面している一方のプレートの温度は最大 300 ℃、もう一方 (冷接点) の温度は約 70 ℃です。 この設計の各燃料電池は、約 10% の効率で約 2 MW の電力を生成できます。 1 m2 の熱電パネル モデルの重さは 10 kg で、約 30 ～ 40 W/m の電力を生成できます。 このような宇宙船用の太陽光発電機は、各列に１２個の燃料電池を１２列備えた、表面が３０ｃｍのカセットの形で製造された。 宇宙空間で太陽によって加熱されると30Wの電力を出力するという特徴がありました。 平坦な加熱面を備えたソーラー TEG では、熱接点と冷接点の間の温度差が小さいため、(特に地上条件では) TEL の良好な効率を得ることができません。 太陽エネルギー集光器を使用すると、より良い結果が得られますが、設計が複雑になります。
4.太陽エネルギー集光器を備えた熱電発電機 すでに述べたように、TEEL の効率は、熱接点と冷接点間の温度差に比例し、さらに熱接点の絶対温度に比例して増加します。 したがって、太陽エネルギー集光器を使用することで TEG の熱効率が大幅に向上し、TEG の熱接点の温度を 1000°C まで上昇させることができます。 集光器を備えた熱電太陽発電機は、回転楕円体または円筒鏡の焦点ゾーンに設置されたサーモパイルです（図7.10）。 ミラーによって集められた太陽光線は、熱接点の表面に導かれ、熱接点を加熱します。 冷接点は、空気、水ラジエーター、または放射によって冷却されます。 集熱器を備えた太陽電池TEGのさまざまなモデルが開発されており、大型および小型の集光器や蓄熱器を備えています。 エネルギー集光器を備えたソーラー TEG の重大な欠点は、集光器自体のコストが高いことです。
1-放物面反射鏡; 2-太陽熱レシーバー; 3-ティール; 4-ヒートシンク 他の熱源を備えた熱電発電機 TEG を使用して発電するために、温度差が大きい場合と小さい場合の両方の他の熱源 (地熱水、人体の熱、ロケット発射装置からの排気ガスなど) を使用する可能性が、多くのユニークな TEG 設計で実装されています。 これらに最も適した熱電材料は、低温で高い品質係数を持つものです。 このような材料には、0,1% ナトリウムを添加したテルル化鉛が含まれ、その品質係数は 0,8 ～ 10 です。-3 (度)-1 200℃および1,410で-3 (度)-1 0°Cで。 地熱水からの熱の利用は、実用上非常に重要です。 天然温泉の熱利用に適したTEGの実験サンプルを作成しました。 このような熱電地熱発電所の熱効率が不十分であるという点は、TEG の単純さと信頼性、および保守要員なしで運転できる能力によって補うことができます。 人間の体温を使用して、TEEL の熱接点と冷接点の間に温度差を作り出すこともできます。 良好な TEM からのこのような TEG は、温度差が約 0,01 ～ 40°C の場合、50 W 以上の電力を供給できます。 数十個の小型 TEEL が、手首に着用する柔軟なブレスレットを形成します。 このような TEG は、特に寒冷地地域において、トランジスタの受信機および送信機に電力を供給できます。 このタイプのデバイスのもう XNUMX つの例は、ボル電池や電池を必要としない日本のソリッドステート ラジオです。 熱板を手に置くと必要な電流を供給する熱電装置があります。 著者：マゴメドフA.M.
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