НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ О ПЕРСПЕКТИВАХ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ
В связи с изменением парадигмы развития мировой энергетики и повышением роли возобновляемых источников в энергоснабжении, а также в утилизации энергетических отходов в последнее десятилетие уделяется большое внимание исследованию термоэлектрических материалов. Именно термоэлектрические материалы определяют технические и экономические показатели термоэлектрических преобразователей (ТЭП).
В подтверждение сказанного можно привести состояние исследований и использования термоэлектрических свойств материалов в США: в начале 70-х годов прошлого века фирма «Мартин» проектировала термоэлектрические электростанции мощностью от 0,3 до 1,3 МВт на ядерном топливе [1]. Однако последовавшее снижение цены на нефть сделало эти проекты нерентабельными и они не были осуществлены. В 80-х годах в США не было практически ни одной публикации по термоэлектрическим материалам. При этом создалось мнение, что известные в то время термоэлектрические материалы (халькогениды висмута, сурьмы, свинца) исчерпали свои возможности. Действительно, в течение более чем трех десятилетий (начиная с конца 50-х годов) практически не было изменения важнейшего показателя термоэлектрических материалов - безразмерной термоэлектрической добротности ZT [2] (рис. 1), определяющей физическую и экономическую эффективность ТЭП.
С другой стороны, были обнаружены новые классы материалов, обладающих термоэлектричесими свойствами лучшими, чем у классических материалов (например, FeS2 [5], оксиды переходных металлов [6], различные нетрадиционные соединения [7]), а именно, будучи сходными с «фононным стеклом» по теплопроводности, эти материалы имеют существенно большие значения S. А этот параметр, как видно из формулы (1), влияет на ZT гораздо сильнее, чем а и к. К тому же надо учесть, что существует фундаментальный нижний предел к, равный 0,1 - 0,2 Вт-мК"1 и достигаемый в аморфных материалах и в жидкостях (при отсутствии конвекции). Поэтому резко возросло число публикаций по термоэлектрическим свойствам различных классов материалов.
Следует отметить, что технология синтеза указанных материалов довольно сложная, у наноструктур еще и нестабильная (плохо воспроизводимая), что предопределяет высокую цену ТЭП на их основе (надеемся, что это пока).
Тем не менее, уже достигнутые значения ZT > 2 (рис. 1) позволяют считать, что скоро начнется широкое применение ТЭП в энергетике (в частности, в возобновляемых источниках энергии и для утилизации энергетических отходов), а также в автомототехнике (взамен электромеханического генератора и даже вместо основного двигателя внутреннего сгорания). Что касается технологических вопросов, то при наличии достаточного спроса все они могут быть решены довольно быстро, как, например, в случаях полупроводниковых приборов, микросхем, а также свето- и лазерных диодов. Поэтому имеет смысл рассмотреть возможные варианты этих применений.
Применение в традиционной энергетике. После завершения отопительного сезона, продолжающегося 5 -5,5 месяцев в году, потребность в горячей воде резко сокращается при гораздо меньшем снижении потребности в электроэнергии, и часть оборудования котельных и теплоэлектроцентралей отключается, что резко снижает коэффициент использования оборудования в теплое время года. Поэтому для более равномерной работы энергетического оборудования в течение всего года представляют интерес способы повышения электрического кпд ГТУ за счет некоторого уменьшения выработки горячей воды. Предложено много способов повышения к.п.д. газовых турбин, например, путем интенсификации теплообмена между выхлопными газами турбины и всасываемым воздухом с помощью передвижного теплообменника.
Однако такой способ требует сложной механической конструкции и недостаточно надежен. Второй способ заключается в преобразовании части тепловой энергии выхлопных газов ГТУ (с температурой около 550 - 600 °С) в электрическую с помощью ТЭП и теплового насоса (рис. 2) [8]. Главное достоинство ТЭП - отсутствие механического движения узлов преобразователя и соответственно отсутствие ухода, шума, и длительный срок службы, доходящий до 10 - 20 лет.
Примерно такая же схема может быть использована для совместной работы ТЭП и паровых турбин, а также в котельных в сочетании (или вместо), например, с регенераторами, что позволяет не только покрывать внутренние потребности этих объектов в электроэнергии, но поставлять ее во внешнюю сеть.
Солнечная энергетика. Здесь возможно использование ТЭП как самостоятельно (рис. 3, [9]), так и в сочетании с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) [10]. В последнем случае ТЭП, установленный сзади ФЭП и имеющий с ним хороший тепловой контакт, преобразует тепловую энергию нагретого ФЭП в электрическую, что повышает суммарный к.п.д. При этом для ТЭП не требуются дополнительные механические конструкции и общая приведенная стоимость комбинированной солнечной электростанции может быть ниже, чем суммарная стоимость отдельно взятых ТЭП и ФЭП эквивалентной мощности. ТЭП и комбинированные фототермоэлектрические преобразователи будут наиболее эффективны в гелиоэлектростанциях с концентраторами. При этом ТЭП имеет перед ФЭП одно преимущество - спектральный состав излучения не имеет значения и, следовательно, к состоянию защитного покрытия ТЭП не предъявляются такие жесткие требования, как у ФЭП. Поэтому чистка рабочей поверхности ТЭП может производиться реже и с меньшими осторожностями, что также может быть существенным в условиях пыльной атмосферы Узбекистана.
Автомобили. В Узбекистане ежегодно расходуется около 9 млн. т моторного топлива, из энергии сжигания которых только 25% используется по прямому назначению - перемещение автомобиля с грузом, и от 2 до 10% расходуется на дополнительные удобства через электромеханический генератор. В окружающую среду выбрасывается около 40% энергии топлива дымовыми газами, до 30% - через систему охлаждения (рис. 4). Использование ТЭП вместо электромеханического генератора позволит экономить до 2% моторного топлива, что эквивалентно 40 - 50 млрд. сум ежегодно.
Рассматриваются также возможности полной замены основного двигателя автомобиля на термоэлектрический генератор с передачей генерируемой электроэнергии на мотор-колеса. Это позволит сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду, так как горение топлива происходит полнее и при температурах ниже, чем в двигателе внутреннего сгорания, и меньше образуется окислов азота. Кроме того, снижаются требования к качеству топлива.
Бытовые применения. В некоторых отдаленных районах Узбекистана отсутствует электроснабжение, что лишает людей возможности приобщиться к достижениям современной цивилизации, затрудняет использование современных средств передачи информации (телевидение, компьютеры) и ухудшает условия обучения детей (отсутствие достаточного освещения). В этих условиях использование ТЭП мощностью 1-2 кВт, работающих от тепла сгорания различного топлива (отопление или приготовление пищи), могло бы помочь в решении проблемы.
Однако высокая цена (12 - 190 $/Вт) имеющихся в настоящее время ТЭП, обусловленная сложностью технологии изготовления и дороговизной применяемых материалов, а также низкий к.п.д. ограничивает их широкое использование. Поэтому поиск дешевых материалов с простой технологией и разработка на их основе ТЭП со стоимостью в 0,5 - 1 $/Вт, имеющих к.п.д. хотя бы на уровне 7 - 10 %, является важным для широкого применения этого способа.
В направлении повышения к.п.д. ТЭП достигнуты заметные успехи в последние годы (рис. 1). При этом анализ показывает [13], что при использовании солнечных электроустановок стоимость накопителей энергии (аккумуляторы) с учетом срока службы становится даже важнее, чем стоимость самих ТЭП или ФЭП.
Исходя из этих предпосылок, представляется перспективным поиск новых функциональных материалов для ТЭП, дешевых и имеющих несложную технологию с необходимым сочетанием параметров (S, о и к). Такое сочетание свойств имеется у легированных силикатных стекол, исследуемых в ИЭиА АН РУз [14].