热电发电机。方案、说明

热电发电机。无线电电子电气工程百科全书

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热电发电机——将热能直接转化为电能的装置。热电发电机是在热电偶的基础上制成的。最高效的热发生器使用复杂的半导体化合物；它们的功率可达几十瓦，效率为20%（热电偶热端和冷端温差约为1000 K）。 T.g. 当利用火箭发动机、核反应堆、高炉等运行过程中释放的热量时特别有效。

热电发电机设计用于为各种无线电设备、通信、照明和充电电池供电。将家庭来源（煤油气、煤油炉、燃气燃烧器、火炉、火）的热量转化为电能。

1.固体燃料热电发电机

TEG 以木炭为燃料，通过水或空气冷却。结构图如图所示。 7.3. 其主要特点如表所示。 7.1.

图 7.3。固体燃料热电发电机结构图

表 7.1。木炭上 TEG 的特性

热电发电机

通过燃烧木炭加热热接点并用沸水冷却冷接点的 TEG（见图 7.4、7.5）具有铸铁燃烧室 6，煤在其中燃烧，通过颈部 4 装入料斗 1。燃烧产物通过管道2 内壳3和外壳5之间的空间有沸水，使TEEL冷端温度保持在100℃左右。热电偶8通过云母薄层与安装结构电绝缘。壳体3和TEEL之间的热接触是通过在它们之间浇注低熔点合金来实现的。

热电发电机
图7.4。带水冷的 TEG：1 - 料仓颈； 2 - 烟囱; 3——内壳； 4——燃料舱； 5-外壳：6-燃烧室； 7 - 铸铁炉体； c——TEEL； 9——电流输出； 10-灰盘； 11——铸铁冷却歧管； 12 - 水环形腔

TEG 有两个独立运行的 TEEL 电池：一个用于为加热电路供电，另一个用于（在振动传感器的帮助下）为阳极和栅极电路供电。这种TEEL的缺点是：TEEL与冰箱之间难以进行热接触、存在沸水以及煤炉控制困难。

热电发电机
图7.5。带空气冷却的 TEG：1 - 烟囱中的阻尼器； 2 - 用于加注燃料的舱口； 3——料斗外壳； 4——料仓内壳； 5——松动燃油杆； 6——空气散热片； 7-料仓与炉体之间的密封； 8-TEEL冷却歧管； 9-TEEL； 10——冷接触层； 11-电流输出：12-炉底（灰盘）

木材和煤炭上的 TEG

固体燃料 TEG 的进一步发展催生了更多型号的大型 TEG，功率高达 500 W 或更高。这些装置是使用煤炭或木材的炉子，热电堆内置于墙壁中。

例如，我们提供为远北地区设计的发电机，功率为 200 瓦和 500 瓦，可使用任何燃料（木材、煤炭、石油）。一台200瓦的发电机2小时消耗约1公斤木柴。

它的目的是生产用于畜牧业的电力、热水或蒸汽。然而，由于难以保证燃料的均匀供应，煤炭上的TEG运行不稳定。 TEG下次启动需要对炉子进行初步清理、通电时间较长等。因此，TEG的进一步发展沿着使用液体燃料的道路进行。

用于固体和液体燃料的中间 TEG

液体燃料的优点导致了适用于液体和固体燃料的中间设计的出现。这些结构包括图 7.6 所示的结构。 XNUMX 根据美国专利的TEG安装方案。

热电发电机
图 7. 图6.根据美国专利的TEG方案：1-TEEL的冷端； 2——TEEL热端； 3-玻璃纤维绝缘盘； 4——酒精灯； 5——三脚架； 6 - 胶木盒

这里，145个由直径为0,5毫米的电线制成的热电元件通过冷端嵌入到直径为5厘米的胶木玻璃的底部，并由三脚架支撑。元件的热端由传统酒精燃烧器的火焰加热。 TEEL 的一个分支由康铜制成，另一个分支由镍 (91%) 和钼 (9%) 的合金制成。发电机的输出电压为6V。

该方案与TEG-1方案非常相似，但设计不同：采用金属燃料电池并用酒精燃烧器代替火。

2.液体燃料热电发电机

TGK-1、TGK-3 和 TGK-2-2-TEG 型煤油 TEG 基于使用传统照明煤油灯作为热源，并且在发电的同时也是光源。 TGK-1、TGK-3和TGK-2-2的设计方案相同：煤油白炽燃烧产物加热SbZn和康铜的TEEL热端，冷端有空气散热片。 TGC-1的功率约为1,6W，TGC-3约为3W。 TGK-3的主要特性如表所示。 7.2.

表7.2

热电发电机

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图7.7。热管 - TEG TGK-3.1 - 热气扩散器，2 - 用于去除燃烧产物的管道； 3-散热片； 4——接线端子； 5 - 链条; 6-用于加热TEEL的带肋管；7-灯玻璃； 8——煤油罐； 9 - 下灯座

在图中。图 7.7 显示了 TGK-3 发电机，其基本设计方案与 TGK-1 差别不大，但功率更大。该TEG使用20线圆灯芯煤油灯8和7以及金属热管。 2、6，如图所示。 7.7，TEEL 有 14 个面。每个TEEL块由一个独立的双肋3冷却，如TGC-1中那样。 TGC-3从灯8下缘到环1的高度约为1m，散热器直径为300mm。灯泡一次充满后可持续使用约 10 小时。

TGK-3 产生的能量足以为各种无线电和其他设备供电，这些设备在 1 - 2 A 电流下消耗 0,3 - 0,5 V 电压，在 90 - 120 mA 电流下消耗 8 - 11 V 电压。

3. 气体燃料上的 TEG

使用燃气简化了热输入的调节（通过调节燃烧器中的燃气压力即可轻松实现），确保燃料在各种温度下良好燃烧，并且不会伴随炉渣堆积。这一切都为TEG的长期稳定运行创造了条件。尤其是五十年代的特点是修建管道，将天然气和石油长距离输送到消费中心。与此相关的是我国开始广泛使用以气体燃料运行的TEG，用于对燃气管道和其他管道（在没有发电厂的地区）进行阴极保护以防止腐蚀，以最小的成本保证管道的安全，同时也用于其他目的。

位于杂散电流场或侵蚀性土壤中的燃气管道，由于管道绝缘层破损处出现外壳、瘘管和其他损坏，很快就会失效。

管道阴极保护站为直流电源，功率可达0,5～1kW，电压10～20V，负极用绝缘电缆与燃气管道相连，正极接地。

对于阴极保护，俄罗斯已生产了多种功率从10W到300W的TEG，包括TGG-10和TGG-16。它们各配备一个 TEEL 电池，并使用气体燃料。电池由单独的部分组成。热端压在硅铝传热器上，冷端压在冷却铝翅片上。电池是一个圆筒，在其下部有一个气体燃烧器(PB-40-4)，在约0,015atm的超压下向该气体燃烧器供应气体。 TEG装置有一个能够切断燃料供应的电磁阀。通常，天然气通过连接到修理工和检查员房屋的天然气管道供应给 TEG。

TGG-10发电机在工作原理上与通用发电机基本没有什么区别，只是使用煤气燃烧器而不是煤油灯。 TEG TGG-16 采用改进的方法，利用穿孔盘从热气体中除去热量。该TEG的方案如图7.8所示。 XNUMX。

这些发电机在 30 分钟内即可加热至工作温度。燃气消耗量（7000 - 8000 kcal/m）为0,1 - 0,2 m3/h。热效率低在这些装置中，这是微不足道的，因为气体消耗可以忽略不计，最主要的是可靠性和简单性，运行成本低。

热电发电机
图7.8。 TGT-16 型 TEG 方案： 1 - 热电堆； 2——传热器； 3——散热片； 4-传热盘； 5——石棉法兰； 6-燃气燃烧器； 7-燃气管道

3. 太阳能驱动的热电发电机

用于太空目的的太阳能 TEG。 TEG，其方案如图7.9所示。 2,5基于使用体积约3mm3000的小型燃料电池，放置在两个平行板（例如金属箔）之间，数量约1个。每2平方米； TEEL与极板隔离并串并联。在外层空间，面向太阳的一块板加热至 300°C，另一块（冷端）的温度约为 70°C。该设计中的每个燃料电池可产生约 10 MW 的功率，效率约为 2%。 1 平方米的热电板模型重 2 公斤，可产生约 10 - 30 W/m 的电力。这种用于航天器的太阳能发电机被制成盒式的，其表面为40cm，具有30排TEEL，每排12个TEEL。它的特点是在外太空被太阳加热时可输出 12 W 的电力。

由于热端和冷端之间的温差较小，具有平坦加热表面的太阳能 TEG 无法获得良好的 TEL 效率（尤其是在陆地条件下）。使用太阳能聚光器可以获得更好的结果，尽管这增加了设计的复杂性。

热电发电机
图7.9。太阳能面板TEG：1-冷面板； 2-TEEL； 3-热板； 4 和 5 - 电流端子

4.带有太阳能集中器的热电发电机

如前所述，TEEL 的效率与热端和冷端之间的温差以及热端的绝对温度成正比。因此，通过使用太阳能聚光器可以显着提高TEG的热效率，从而可以将TEG热结的温度提高到1000°C。

带聚光器的热电太阳能发电机是安装在球面镜或柱面镜聚焦区的热电堆（图7.10）。镜子收集的太阳光线被引导到热接点的表面并加热它们。冷端通过空气、水散热器或通过辐射进行冷却。

带有聚热器的太阳能TEG的各种型号已经被开发出来，包括带有大型和小型聚光器以及带有蓄热器的太阳能TEG。带有聚能器的太阳能 TEG 的一个严重缺点是聚能器本身的成本较高。

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1 - 抛物面反射器； 2 - 太阳能热接收器； 3 - 铁； 4 - 散热器

带有其他一些热源的热电发电机

利用其他具有大温差和小温差的热源，利用 TEEL（地热水、人体热量、火箭发射器废气等）发电的可能性已经在许多独特的 TEG 设计中得以实现。对于他们来说，最合适的是在低温下具有高品质因数的热电材料。此类材料包括添加0,1%钠的碲化铅，其品质因数为0,8-10^-3 （度）^-1 在 200°C 和 1,410 下^-3 （度）^-1 在 0°C。

利用地热水的热量具有非常重要的实际意义。适合利用天然温泉热量的 TEG 实验样品已经制作完成。这种热电地热发电厂的热效率不够高，可以通过 TEG 的简单性和可靠性以及无需维护人员即可运行的能力来弥补。

人体热量还可用于在 TEEL 的热接点和冷接点之间产生温差。如果温差约为 0,01 - 40°C，来自优质 TEM 的此类 TEG 能够提供 50 W 或更高的功率。几十个微型 TEEL 形成一个灵活的手镯，戴在手腕上。这种 TEG 可以为晶体管接收器和发射器提供电力，特别是在寒冷气候地区。

此类设备的另一个例子是日本固态无线电接收器，它不需要原电池或蓄电池。这里有一个热电装置，如果将热板放在手上，它可以提供必要的电流。

作者：马戈梅多夫 A.M.

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