ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Основные термоэлектрические явления из "Термоэлектрическая энергетика " К термоэлектрическим явлениям относится группа физических явлений, обусловленных существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках электричества. [c.14] В замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), если места контактов (спаев) поддерживать при различных температурах (эффект Зеебека). [c.14] Коэффициент ТЭДС имеет размерность [в град и зависит от свойств материалов ветвей термоэлемента и интервала рабочих температур, в некоторых случаях он меняет знак с изменением температуры [2]. [c.14] Физический смысл явления Томсона заключается в следующем. Если в проводнике с током существует градиент температуры и направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то, переходя из более горячей области в более холодную, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам, чем вызывают нагрев проводника (выделение тепла). При обратном направлении тока электроны, переходя из более холодной области в более горячую, отбирают энергию от окружающих атомов (поглощение тепла). Для более точного описания явления необходимо учесть тот факт, что в первом случае электроны тормозятся, а во втором — ускоряются полем ТЭДС. Это изменяет значение коэффициента Томсона, в некоторых случаях приводит к перемене его знака. [c.16] В качестве примера рассмотрим простейший замкнутый термоэлемент (рис. 2.3, а), состоящий из двух различных материалов и Л 2, при температуре спаев Tj, и Т . Принципиальная картина изменения ТЭДС в этом термоэлементе показана на рис.2.4. ТЭДС в цепи равна сумме составляющих и характеризуется величиной Е = IR, где R — электрическое сопротивление цепи [10]. На практике часто бывает необходимо вводить в цепь участки из третьего материала Лз (например, в термогенераторах или термопарах). Такая цепь из трех материалов показана на рис. 2.3, б. Включение в цепь любого материала не влияет на величину ТЭДС, сли температуры концов этого материала одинаковы [11]. [c.16] Более подробное описание термоэлектрических явлений можно найти в работах [12—24]. [c.17] Основная характеристика термоэлектрического цикла — баланс мощности в ТЭЭЛ, используемой для генерирования электрического тока. Простейшая батарея термоэлементов показана на рис. 2.5. [c.17] Тепло поступает к горячим концам элементов через коммутационные пластины 1 и отводится от холодных концов через пластину 2 при температурах Tj, и соответственно. Потери тепла в окружающее пространство с боковых поверхностей ТЭЭЛ малы и в первом приближении ими можно пренебречь. Количество тепла, расходуемого горячим спаем термоэлемента, Qp складывается из следующих частей . [c.18] Из энергетического баланса обратимых процессов 1,аТ Т,) = Я1,Л7 г)-Я1.,(Т,) + 5 [т,(Т)-т,(Т)](1Т. [c.19] Внеся это значение в предыдущее уравнение, имеем W = = I (Е — /г) = / , где jGh — разность потенциалов на нагрузке. [c.19] Таким образом, при малой величине (Т — относительно Т р суммарный эффект Пельтье и Томсона приблизительно эквивалентен одному эффекту Пельтье с постоянным усредненным коэффициентом Зеебека. На практике обнаружено, что эта эквивалентность существует при значениях (Т — Тср. [c.20] что максимальная мощность ТЭЭЛ имеет место при минимуме величины f m)=m + 2 + (1/m) (что соответствует т = 1), т. е. R = г. [c.21] Представим себе общую картину изменения полезной электрической мощности ТЭЭЛ в зависимости от сопротивления R полезной нагрузки. На рис. 2.6 показана эта зависимость (для Е = 1 иг = 1). Видно, что небольшие отклонения величины т от единицы (приблизительно от 0,7 до 2) мало влияют на значение выходной мощности. [c.21] Как видно из определения к. п. д. ТЭЭЛ при максимальной мощности, последний не зависит от геометрических размеров ветвей и кроме температур определяется величиной Z — добротностью материала. Например, при Тр = 1273° К, = 300°К, Z = == 2-10 (град)получаем iij,= (1273—300)/1273 = 0,76 и к. п. д. ТЭЭЛ может достигать 0,24 (при R = г). [c.22] Из таблицы видно, что специальные полупроводниковые материалы, в данном случае теллурид свинца, имеют значительно больший к. п. д. преобразования тепла в электричество, чем нелегированные полупроводники и металлические сплавы. [c.24] На рис. 2.7 дана графическая интерпретация энергетического баланса ТЭЭЛ из теллуристого свинца (режим ма кси мал ьной мощности, к. п. д. без учета потерь), построенная по данным теплового баланса табл. 2.1. На диаграмме принят одинаковый масштаб по ширине энергетических потоков. Тепло, подводимое к горячему спаю, переносится к холодному спаю теплопроводностью и теплом Пельтье — Томсона Q x- Разница в величине тепла Пельтье — Томсона горячего и холодного спаев равна общему количеству полученной электроэнергии, половина которой отдается полезной нагрузке. [c.24] На рис. 2.8 показаны значения к. п. д. термоэлементов при различных Z и разности температур [26]. Диаграмма построена при = 27° С для случая системы максимального к. п. д. [c.25] В табл. 2.3 приведены экспериментальные результаты, полученные В. А. Кремневым [27 для ТЭГ, работающих в режиме максимального к. п. д., т. е. [c.26] Вернуться к основной статье