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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Generadores termoeléctricos. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía El generador termoeléctrico es un dispositivo para convertir directamente la energía térmica en energía eléctrica. Los generadores termoeléctricos se fabrican a base de termoelementos. Los generadores térmicos más eficaces son los que utilizan compuestos semiconductores complejos; su potencia puede alcanzar varias decenas de vatios, eficiencia - 20% (con una diferencia de temperatura entre las uniones frías y calientes de los termoelementos - alrededor de 1000 K). T.g. Son especialmente eficaces cuando se utiliza el calor generado durante el funcionamiento de motores de cohetes, reactores nucleares, altos hornos, etc. El generador termoeléctrico está diseñado para alimentar diversos equipos de radio, comunicaciones, iluminación y recargar baterías. Convierte el calor de fuentes domésticas (kerogas, estufas de queroseno, quemadores de gas, estufas, fuego) en energía eléctrica. 1. Generadores termoeléctricos de combustible sólido TEG alimentado con carbón vegetal y enfriado por agua o aire. El diagrama de diseño se muestra en la Fig. 7.3. Sus principales características se enumeran en la tabla. 7.1.
Tabla 7.1. Características del TEG sobre carbón
TEG con calentamiento de uniones calientes quemando carbón y enfriamiento de uniones frías con agua hirviendo (ver Fig. 7.4, 7.5) tiene una cámara de combustión de hierro fundido 6, en la que se quema carbón, cargado en la tolva 4 a través del cuello 1. Los productos de combustión salen por tubería 2 En el espacio entre la carcasa interior 3 y la carcasa exterior 5 hay agua hirviendo, que mantiene la temperatura de las uniones frías del TEEL a unos 100°C. Los termoelementos 8 están aislados eléctricamente de la estructura de la instalación mediante finas capas de mica. El contacto térmico entre la carcasa 3 y TEEL se realiza mediante una aleación de bajo punto de fusión vertida entre ellos.
El TEG tiene dos baterías TEEL que funcionan de forma independiente: una para alimentar los circuitos incandescentes y la otra para alimentar (mediante un transductor de vibración) los circuitos de ánodo y de red. Las desventajas de un TEEL de este tipo son: la dificultad de establecer contacto térmico entre el TEEL y el frigorífico, la presencia de agua hirviendo y la dificultad de controlar una cámara de combustión de carbón.
TEG sobre madera y carbón Un mayor desarrollo de los TEG de combustible sólido condujo a la creación de varios modelos más de TEG más grandes con una potencia de hasta 500 W o más. Estas unidades eran estufas de carbón o leña, con termopilas integradas en las paredes. Como ejemplo, daremos generadores desarrollados para el Extremo Norte de 200 y 500 W, que funcionan con cualquier combustible: madera, carbón, petróleo. Un generador de 200 W consumió unos 2 kg de madera en 1 hora. Estaba destinado a producir electricidad, agua caliente o vapor utilizado en la cría de animales. Sin embargo, el funcionamiento del TEG con carbón es inestable debido a las dificultades para garantizar un suministro uniforme de combustible. La siguiente puesta en marcha del TEG requirió una limpieza preliminar del horno, alcanzar la potencia llevó mucho tiempo, etc. Por lo tanto, el desarrollo posterior del TEG siguió el camino del uso de combustible líquido. TEG intermedios para combustibles sólidos y líquidos Las ventajas del combustible líquido han llevado a la aparición de diseños intermedios adecuados para funcionar con combustibles líquidos y sólidos. Tales estructuras incluyen la que se muestra en la Fig. 7.6 Esquema de instalación del TEG según patente americana.
Aquí se incrustan 145 elementos termoeléctricos de alambre de 0,5 mm de diámetro con los extremos fríos en el fondo de un vaso de baquelita de 5 cm de diámetro, sostenido por un trípode. Los extremos calientes de los elementos se calientan mediante la llama de un quemador de alcohol convencional. Una rama de TEEL está hecha de constanten, la otra está hecha de una aleación de níquel (91%) con molibdeno (9%). Tensión de salida del generador 6 V. Este esquema es muy similar al TEG-1, pero en un diseño diferente: con pilas de combustible metálicas y reemplazando el fuego por un quemador de alcohol. 2. Generadores termoeléctricos de combustible líquido Los TEG de queroseno del tipo TGK-1, TGK-3 y TGK-2-2-TEG se basan en el uso de lámparas de queroseno para iluminación convencional como fuente de calor y, además de generar electricidad, son fuentes de luz. Los diagramas de diseño de TGK-1, TGK-3 y TGK-2-2 son los mismos: los productos calientes de la combustión de queroseno calientan las uniones calientes del TEEL de SbZn y Constantan, las uniones frías tienen aletas de refrigeración por aire. La potencia del TGC-1 es de aproximadamente 1,6 W, la del TGC-3 es de aproximadamente 3 W. Las principales características del TGK-3 se enumeran en la tabla. 7.2. Tabla 7.2
En la Fig. La Figura 7.7 muestra el generador TGK-3, que en su diseño básico difiere poco del TGK-1, pero tiene mayor potencia. Este TEG utiliza una lámpara de queroseno de mecha redonda de 20 líneas 8 y 7 y un tubo de calor metálico. 2 y 6, mostrados en la Fig. 7.7, tiene 14 caras para TEEL. Cada bloque TEEL está refrigerado por una doble aleta independiente 3, como en TGK-1. La altura del TGK-3 desde el borde inferior de la lámpara 8 hasta el anillo 1 es de aproximadamente 1 m, el diámetro del radiador es de 300 mm. Una sola recarga de la lámpara dura aproximadamente 10 horas. La energía generada por TGK-3 es suficiente para alimentar varias radios y otros dispositivos que consumen un voltaje de 1 a 2 V con una corriente de 0,3 a 0,5 A y un voltaje de 90 a 120 V con una corriente de 8 a 11 mA. . 3. TEG sobre combustible gaseoso El uso de gas simplifica la regulación del aporte de calor (se logra fácilmente regulando la presión del gas en el quemador), asegura una buena combustión del combustible a diferentes temperaturas y no va acompañado de la acumulación de escoria. Todo esto crea las condiciones para un funcionamiento estable y a largo plazo de TEG. En particular, los años cincuenta se caracterizaron por la construcción de oleoductos para transportar gas natural y petróleo a largas distancias hasta los centros de consumo. Esto también está relacionado con el comienzo de nuestro uso generalizado de TEG en combustible gaseoso para la protección catódica de gasoductos y otras tuberías contra la corrosión (en áreas sin centrales eléctricas), para garantizar la seguridad de las tuberías a un costo mínimo, así como para otros propósitos. Los gasoductos ubicados en el campo de corrientes parásitas o en suelos agresivos fallan rápidamente como resultado de la aparición de cavidades, fístulas y otros daños en los lugares donde se daña el aislamiento de la tubería. La estación de protección catódica de tubería es una fuente de corriente continua con una potencia de hasta 0,5 - 1 kW a 10 - 20 V, cuyo polo negativo está conectado al gasoducto mediante un cable aislado y el polo positivo está conectado a tierra. Para la protección catódica, en Rusia se han creado varios tipos de TEG con potencias de 10 a 300 W, incluidos TGG-10 y TGG-16. Cada uno tiene una batería TEEL y funciona con gas. Las baterías constan de secciones separadas. La unión caliente se presiona contra el transmisor de calor de siluminio, la unión fría se presiona contra las aletas de aluminio de enfriamiento. La batería es un cilindro, en cuya parte inferior hay un quemador de gas (PB-40-4), al que se suministra gas bajo una sobrepresión de aproximadamente 0,015 atm. La instalación TEG dispone de una válvula electromagnética capaz de cortar el suministro de combustible. Normalmente, el gas se suministra al TEG desde gasoductos conectados a las casas de los reparadores e inspectores. El principio de funcionamiento del generador TGG-10 no se diferencia básicamente del de los generadores de uso general: en lugar de una lámpara de queroseno, sólo utiliza un quemador de gas. TEG TGG-16 utiliza un método mejorado para eliminar el calor de los gases calientes mediante discos perforados. El diagrama de este TEG se muestra en la Fig. 7.8. Estos generadores se calientan hasta la temperatura de funcionamiento en menos de 30 minutos. El consumo de gas (7000 - 8000 kcal/m) es de 0,1 - 0,2 m3/h. Baja eficiencia térmica en estas instalaciones es insignificante, ya que el consumo de gas es insignificante, lo principal es la fiabilidad y la sencillez, los bajos costes operativos.
3. Generadores termoeléctricos alimentados con energía solar TEG solar para fines espaciales. TEG, cuyo diagrama se muestra en la Fig. 7.9 se basa en el uso de pilas de combustible de pequeño tamaño con un volumen de aproximadamente 2,5 mm3, colocadas entre dos placas paralelas (por ejemplo, láminas metálicas) en una cantidad de aproximadamente 3000 piezas. por 1 m2; Los TEEL están aislados de las placas y conectados en serie-paralelo. En el espacio exterior, una placa orientada hacia el Sol se calienta hasta 300°C, la otra (uniones frías) tiene una temperatura de aproximadamente 70°C. Cada pila de combustible de este diseño puede producir una potencia de unos 10 MW con una eficiencia de aproximadamente el 2%. 1 m2 de modelo de panel termoeléctrico pesa 10 kg y puede producir aproximadamente 30 - 40 W/m de electricidad. Un generador solar de este tipo para una nave espacial se fabricó en forma de casete con una superficie de 30 cm con 12 filas de pilas de combustible, 12 pilas de combustible en cada fila. Se caracterizaba por producir 2 W de electricidad cuando el Sol lo calentaba en el espacio exterior. Los TEG solares con superficies de calentamiento planas no permiten obtener una buena eficiencia de los TEL (especialmente en condiciones terrestres) debido a las pequeñas diferencias de temperatura entre las uniones frías y calientes. Se pueden obtener mejores resultados utilizando concentradores de energía solar, aunque esto añade complejidad al diseño.
4. Generadores termoeléctricos con concentradores de energía solar Como ya se señaló, la eficiencia de TEEL aumenta en proporción a la diferencia de temperatura entre las uniones frías y calientes y, además, a la temperatura absoluta de la unión caliente. Por lo tanto, se logra un aumento notable en la eficiencia térmica de los TEG mediante el uso de concentradores de energía solar, que permiten aumentar la temperatura de la unión caliente del TEG a 1000 °C. Un generador solar termoeléctrico con concentrador es una termopila instalada en la zona focal de un espejo esferoidal o cilíndrico (Fig. 7.10). Los rayos del sol recogidos por el espejo se dirigen a la superficie de las uniones calientes y las calientan. Las uniones frías se enfrían mediante aire, radiadores de agua o radiación. Se han desarrollado varios modelos de TEG solares con concentradores de calor, incluidos concentradores grandes y pequeños, y con acumuladores de calor. Una grave desventaja de los TEG solares con concentradores de energía es el elevado coste de los propios concentradores.
1 - reflector parabólico; 2 - receptor de calor solar; 3 - TEEL; 4 - disipador de calor Generadores termoeléctricos con algunas otras fuentes de calor La posibilidad de utilizar otras fuentes de calor, tanto con diferencias de temperatura grandes como pequeñas, para generar electricidad utilizando TEG (agua geotérmica, calor corporal humano, gases de escape de lanzacohetes, etc.) se ha implementado en varios diseños únicos de TEG. Los materiales termoeléctricos más adecuados para ellos son aquellos que presentan factores de calidad elevados a bajas temperaturas. Dichos materiales incluyen telururo de plomo con la adición de 0,1% de sodio, cuyo factor de calidad es 0,8-10.-3 (grado)-1 a 200°C y 1,410-3 (grado)-1 a 0°C. El uso del calor de las aguas geotérmicas puede tener una gran importancia práctica. Se han creado muestras experimentales de TEG adecuadas para aprovechar el calor de fuentes termales naturales. La eficiencia térmica insuficientemente alta de una central termoeléctrica geotérmica de este tipo puede compensarse con la simplicidad y fiabilidad del TEG y la capacidad de funcionar sin personal de mantenimiento. El calor del cuerpo humano también se puede utilizar para crear una diferencia de temperatura entre las uniones frías y calientes del TEEL. Estos TEG de buenos TEM son capaces de proporcionar una potencia de 0,01 W o más si la diferencia de temperatura es de aproximadamente 40 a 50 °C. Varias docenas de TEEL en miniatura forman una pulsera flexible que se lleva en la muñeca. Un TEG de este tipo puede proporcionar energía a un receptor y transmisor de transistores, especialmente en áreas de clima frío. Otro ejemplo de este tipo de dispositivos es la radio japonesa de estado sólido, que no requiere pilas ni pilas voltaicas. Existe un dispositivo termoeléctrico que proporciona la corriente eléctrica necesaria si se coloca la termoplaca en la mano. Autor: Magomedov A.M.
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