Плотность тока термоэмиссии (А/м2) при различных температурах
| |500 |1000 |1500 |2000 |2500 |
|Температура,0 К | | | | | |
|Материал | | | | | |
|Вольфрам без | | |0.1 |25 |6.5*103 |
|цезиевого | | | | | |
|покрытия,W | |100 |5*106 |4*107 | |
|Вольфрам с цезиевым| | | | | |
|покрытием, CsW |25 |1*107 | | | |
|Окись серебра, | | | | | |
|Cs-Ag | | | | | |
Такое преобразование солнечной энергии в работу происходит не без потерь,
и, естественно, встает вопрос о КПД подобного устройства. Электроны
покидают катод лишь при его нагревании, поэтому возникают потери энергии
через теплоизлучение. Часть тепловой энергии попадает на анод, который при
сильном разогреве также испускает электроны. Если хотя бы часть из них
достигла катода, это привело бы к уменьшению тока в нагрузке. Поэтому на
охлаждение анода также необходима энергия. Итак, возможности этого способа
преобразования энергии, также небеспредельны, ограничена, и величина его
КПД находится на уровне 10-15%.
Термоэлектрический генератор (термопары)
Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, открытое Вольта в последнем десятилетии XVIII века, привлекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундаментальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.
Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека»), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи.
Объективный анализ опытов Зеебека (даже при тогдашнем уровне физических
знаний) мог бы дать однозначное объяснение эффекту, обусловив его
возникновением в подобной цепи электрического тока, тем более, что
воздействие на стрелку прекращалось при размыкании цепи. Однако Зеебек
предложил собственную интерпретацию эффекта, объясняющую его
намагничиванием материалов под действием температуры и разработал в
качестве ее следствия смелую гипотезу происхождения земного магнетизма,
суть которой сводится к тому, что земное магнитное поле образовалось в
результате разности температур между полюсами и экваториальным поясом
Земли. Заблуждение Зеебека сыграло положительную роль: чтобы опровергнуть
электрическое происхождение термоэлектрических токов, он на самых различных
материалах сопоставлял явление электризации (контактный потенциал) или ряд
Вольта с воздействием разности температур на магнитную стрелку и показывал
различие между ними.
Составленный Зеебеком обширный термоэлектрический ряд (табл. 5)
представляет интерес и поныне. В современных обозначениях (? —
термоэлектродвижущая сила на 1° С и ? — удельная электропроводность) ряд
Зеебека определяется произведением ?? вместо величины ?2?/? (где ? —
удельная теплопроводность), которая характеризует термоэлектрические
свойства материала.
На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы. На рис.9 показана типичная конструкция термоэлектрического генератора на основе проводников. Обычно проводники соединяются последовательно, так как разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300—400 мкВ на единицу, разности температур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.
[pic]
Рис. 9. Термоэлектрический генератор.
Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления.
Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через
элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется
джоулево тепло.
Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через проводимость пропорциональна разности температур на их концах (при условии отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение
Qт=K (T1-T2), (3) где К зависит от теплопроводности материалов, площади поверхности и длины элементов.
Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно
Qдж=I2R, (4)
Где К — общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность) от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из соединений.
Таблица 5
Термоэлектрические ряды
|Ряд Зеебека |Ряд Юсти |Ряд Мейснера (1955) |
|(1822г.) |(1948) | |
|Металлы и их соединения |Металлы |Полупроводник|
| | |и |
|PbS |Bi-80 |Bi-70 |MnS-770 |
|Bi |Co-21 |Mi-18.0 |ZnO-714 |
|Ni |Ni-20 |Co-18.5 |CuO-696 |
|Co |K-14 |K-12 |Fe3О4-500 |
|Pd |Pd-8 |Pd-6 |FeS2-430 |
|Pt |Na-7 |Pb-0.1 |MoS-200 |
|U |Pt-5 |Sn+0.1 |CuO-139 |
|Au |Hg-5 |Rh+2.5 |CdO-41 |
|Cu |C-3.5 |Zn+2.9 |CuS-7 |
|Rh |Al-1.5 |Mo+5.9 |FeS+26 |
|Ag |Rh+1 |Fe+16 |CdO+30 |
|Zn |Zn+1.5 |Sb+35 |NiO+240 |
|C |Ag+1.5 |Te+400 |Mn2О3+385 |
|Cd |Au+1.5 |Se+1000 |Cu2O3+474 |
|Сталь |Cu+2.0 | |CuO+1120 |
|Fe |W+2.5 | | |
|As |Fe+12.5 | | |
|Sb |Sb+42 | | |
|SbZn |Si+44 | | |
| |Te+49 | | |
|Примечание: Величина термо-ЭДС дана в мкВ/град. |
Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из соотношения
P=S(T1-T2)I - I2R, где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.
Если считать неизменными другие величины, значение КПД определяется только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ применяют легированные полупроводники, для которых добротность при определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.
Несмотря на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень
мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько
десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже
достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов
продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого
типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности
0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора
увеличится с 7 до 31%.
Следует заметить, что температурные изменения добротности могут
благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского
коллектора и термоэлектрического генератора (рис. 10). Максимальная
температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого
интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических
материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При
температуре Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К суммарный КПД составляет около 3,5%.
Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с
применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за
движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне
приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы обусловлена входящим в
ее состав генератором.
[pic]
Рис. 10. Термоэлектрический генератор с плоским коллектором.
Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная энергия используется для нагревания соответствующих устройств, принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь незначительная доля падающей солнечной энергии. Даже по самым оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.
Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования
энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным.
В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное
место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован
магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования,
а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что
его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут
описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие
заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации
без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то
есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.
Глава 2. Фотоэлектрические генераторы.
В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная с 1888 г. Столетовым.
Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием света, падающего на границу металл — полупроводник (или n- полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).
Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте
рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам,
рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного
пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего
0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании
вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится
незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные
конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности
остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических
генераторов использующих вентильный фотоэффект.
Вентильный фотоэлектрический генератор.
Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).
Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства
полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов
— приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.
