В этом году исполнится 220 лет со времени открытия явления термоэлектричества итальянским физиком Алессандро Вольта, который в первый раз в мире в 1794 году при помощи препарированной лягушки, которая, по его словам, служила ему только прибором, «гораздо более чувствительным, чем электрометр с золотыми листочками», нашел факт «возбуждения» электричества при нагреве проводника (другими словами термоэлектрический эффект, которому он не придал особенного значения и который остался незамеченным его современниками).

Спустя пару лет подобные термоэлектрические явления в целях, состоящих из электролита и железного электрода, были обнаружены германскими физиками И. Риттером (1798 год) и И. Швайггер (1810 год). А еще через 27 лет, в 1821 году, германский физик Т. Зеебек, пытавшийся обосновать неверную (как позже установил датский физик X Эрстед) догадку о различной природе электронных и магнитных явлений, случаем (по его признанию) нашел, что величина и направление воздействия на магнитную стрелку зависят от степени нагрева висмутовой и сурьмянистой пластинок и от материала, из которого они были сделаны (рис.1). Конкретно этот опыт (в отличие от оставшихся незамеченными опытов А, Вольта, И. Риттера и И. Швайггера) послужил основанием признать создателем открытия явления термоэлектричества Т. Зеебека, а не А. Вольта (хотя исторически было бы справедливым, как в наше время считает влиятельная Интернациональная термоэлектрическая академия, признать ценность открытия термоэлектричества за А. Вольта, а не за Т. Зеебеком [3]).

Описание сути термоэлектрических эффектов нельзя признать полным без ссылок на позже открытые эффекты, к числу которых относятся: открытый в 1834 году французским физиком Ж. Пельтье эффект, оборотный эффекту Зеебека, заключающийся в образовании разности температур на спаях в случае протекания электронного тока по термоэлектрической цепи (эффект Пельтье), также открытый в 1851 году английским физиком В. Томсоном эффект дополнительного выделения либо поглощения тепла в однородном проводнике при пропускании через него электронного тока, если повдоль проводника сотворен перепад температуры (эффект Томсона).

Три главных эффекто — Зеебека, Пельтье и Томсона — легли в базу науки о термоэлектрических явлениях, которая получила развитие только в XX веке и в особенности бурно развивается в наше время. Центральное место в этой науке принадлежит исследованиям термоэлектрических явлений в рассматриваемых дальше термоэлектрических генераторах либо сокращенно термо-электрогенераторах и практическим применениям этих генераторов [1,2,4,5].

Принцип деяния и конструктивные особенности неких типов термоэлектрогенераторов

Термоэлектрогенераторы представляют собой устройства прямого преобразования термический энергии в электронную на базе внедрения эффекта Зеебека, заключающегося в возникновении ЭДС в замкнутой цепи из 2-ух разнородных материалов при условии, что на местах контактов поддерживаются различные температуры. Этот эффект появляется вследствие зависимости энергии свободных электронов и так именуемых дырок от температуры. В местах контактов разных материалов заряды перебегают от проводника, где они имели более высшую энергию, в проводник с наименьшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов меж 2-мя субстанциями больше на жарком контакте, чем но прохладном, в итоге чего в замкнутой цепи появляется ток.

1-ое подобие термоэлектрической цепи в виде термоэлектрической батареи было сотворено еще в 1823 году совместными усилиями физиков X.Эрстеда и Ж. Фурье, в первый раз соединивших термоэлектрические пары так же, как ранее соединяли гальванические элементы в батареи для увеличения напряжения. При всем этом в качестве материалов, составляющих цепь термоэлемента, использовались висмут и сурьма. Таким макаром, термоэлектрическая батарея состояла из спаянных меж собой в чередующемся порядке висмутовых и сурьмянистых стержней. Один ряд спаев грелся пламенем свеч, другой охлаждался льдом, в итоге чего во наружной цепи, присоединенной к термобатарее, появлялся электронный ток. Схематически такая батарея показана на рис.2, где обозначено: 1 и 2 — висмутовый и сурьмянистый стержни соответственно; 3 — свеча либо горелка; 4 — сосуд со льдом.

В предстоящем термобатарею с нагревателем и холодильником по аналогии с другими машинами, вырабатывающими электронный ток, стали именовать термоэлектрогенератором либо термоэлектрическим источником тока.

Современный учебный прибор, созданный для демонстрации эффекта прямого преобразования термический энергии сжигания водянистого горючего в электронную при помощи термоэлектрогенератора, показан на фото, помещенной сначала этой статьи [5]. В состав прибора входят: источник тепла (спиртовка), термоэлектрический модуль, температура жаркой и прохладной сторон которого контролируется при помощи 2-ух спиртовых термометров, радиатор для рассеивания тепла, также электропотребители (электролампы и вентилятор). Выделяемая спиртовкой термическая энергия преобразуется в электронную, от которой загораются лампочки либо крутится вентилятор.

Последующим шагом в развитии термоэлектричества явилось создание нескольких, снаружи отличающихся одна от другой, термоэлектрических батарей в качестве источников электроэнергии для неких производственных процессов и даже для осветительных целей. Так, термобатарея, разработанная в 1879 году французским изобретателем Ш. Кламоном, служила довольно надежным источником электроэнергии и применялась для освещения в типографиях. Другим всераспространенным в то время типом термобатарей были батареи Ноэ. Но низкая эффективность термоустройств этого типа в критериях бурно развивающейся электроэнергетики лишала термоэнергетику каких-то шансов одержать победу в конкурентноспособной борьбе.

Ток длилось до начала 30-х годов прошедшего века, когда, в связи с бурным развитием радиотехники, появилась острая необходимость сотворения разных типов автономных термоэлектрогенероторов, созданных для питания радиоприемников и зарядки аккумов. Самую большую известность получили разработанные в этот период времени в ряде государств термоэлектрогенераторы с газовым нагревом Э. Андервуда (1932 г.), использовавшего в конструкции генератора никельхромовый и никелемедный сплавы и снабдивший генератор стабилизатором нагрева для получения способности регулирования выходного напряжения; Р. Матиуса (1934 г.), создавшего генератор в виде набора дисков — звездообразных батарей, насаженных на общую трубу с теплоносителем; Г. Милнза (1934 г.), разработавшего термоэлектрогенератор на базе сплавов медь — серебро, легированных селеном, и достигшего рабочей разности температур преобразования 300°С; Ф. Кигли (1940 г.) и др. [1,2,4].

Начиная с 1940 года, когда академик А.И. Иоффе выдвинул идею о способности при помощи полупроводников превращать термическую (в том числе солнечную) энергию в электронную, термоэлектрогенераторы начали создаваться на базе полупроводниковых термобатарей. В первый раз в мире таковой термоэлектрогенератор был сотворен в 1940 году в Ленинградском физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе. Он состоял из 20 термоэлементов размером 1x1x0,5 см3, сделанных из сернистого свинца с положительным и отрицательным типом проводимости, и имел мощность около 2 Вт и КПД около 3%.

1-ое практическое применение полупроводниковые термоэлектрогенераторы типа ТГ-1 получили в самом начале Величавой Российскей войны, когда в Русском Союзе был сотворен «партизанский котелок», получивший такое заглавие из-за формы крестьянского чугунка с двойным дном, снутри которого располагался блок полупроводниковых термопар (рис.З). В «котелок» наливали прохладную воду и вешали его над костром, огнь которого нагревал его дно и вкупе с ним жаркие спаи термоэлементов, сделанных из SbZn и константана. 2-ое дно и прохладные спаи охлаждались прохладной водой. При всем этом разность температур спаев достигала 200…250°С, а вырабатываемой таким генератором электроэнергии, даже невзирая на сравнимо маленький КПД генератора, не превышавший 1,5…2,0%, было довольно для обеспечения электропитания партизанских радиостанций.

50-е и следующие годы прошедшего века отличались резвыми темпами освоения космоса, ценностями в разработке сверхтехнологичных видов вооружений, механизированных производств из-за чего наметилась устойчивая тенденция сотворения (вместе с маломощными) более массивных (от 10 до 1000 Вт) термоэлектрогенераторов, работающих на органическом горючем. Так, в 60-х годах прошедшего века в Русском Союзе был разработан ряд термоэлектрогенероторов мощностью 10…15 Вт напряжением 10… 18 В.

Схема 1-го из таких генераторов типа ТГК-16 показана на рис.4, где обозначено: 1 — термобатарея; 2 — жаркий коллектор; 3 — прохладный радиатор; 4 — теплопроводные диски; 5 -газовая горелка. Расход природного газа генератора -0,1…0,2 м3/ч, КПД — 1%. В это время в Институте полупроводников АН СССР был разработан термоэлектрогенератор ТЭГ-50 для катодной защиты мощностью 50 Вт, а потом и поболее мощнейший ТЭГ-300 мощностью 300 Вт. Отлично себя зарекомендовал также позже сделанный компанией «Термокластер» (Наша родина) термоэлектрогенератор мощностью 200 Вт, напряжением 24 В, созданный для питания бытовой системы отопления в качестве запасного источника электроэнергии, нужной для питания бойлеров, котлов с принудительной подачей горючего и т. п. в случае отключения централизованного электроснабжения.