Емкостной термоэлектрический генератор: новый взгляд на эффективность
Проблема традиционных термоэлектрических генераторов (ТЭГ)
Обычные ТЭГ, несмотря на свою простоту и надёжность, сталкиваются с фундаментальной проблемой — низким КПД.
- Металлические термопары достигают КПД лишь около 1%.
Корень этой неэффективности — очень высокое внутреннее сопротивление термоэлементов. Попытка напрямую подключать такую систему к нагрузке приводит к ничтожной отдаче мощности. Это похоже на попытку наполнить ведро через тончайшую соломинку — долго, неудобно и крайне неэффективно.
Даже передовые полупроводниковые элементы выдают максимум 5–15%.
Решение: синергия металлов и ёмкостей
Предложена инновационная конструкция, сочетающая металлические термопары и конденсаторы в единой емкостной архитектуре.
Базовая идея:
- Каждая термопара подключается к своему конденсатору.
- Все эти термопары и конденсаторы объединяются в одну схему накопления энергии.
Конструкция — "бутерброд" из фольги
Выполнить такую схему просто: слои разнородных металлов (например, тонкие фольги хромеля и копеля) укладываются попеременно, образуя множество термопар.
Между ними вставляются тончайшие прокладки из диэлектрика. В результате каждая пара металлов служит:
- как ветвь термопары, генерирующая напряжение при температурной разности;
- одновременно — как обкладка двух конденсаторов, встраиваемых прямо в структуру.
Таким образом, структура из многослойных термопар на фольге становится одновременно и термогенератором, и ёмкостным накопителем энергии.
Как это работает: "перекоммутация короткого замыкания"
Ключевая идея — это не прямое питание нагрузки, а быстрая зарядка накопителей (конденсаторов) и мгновенная их разрядка в нагрузку.
Алгоритм работы состоит из следующих этапов:
1. Заряд конденсаторов
Каждая термопара непрерывно заряжает свой конденсатор. Все конденсаторы заряжаются одновременно (но! ) до напряжения одной термопары.
2. Перекоммутация "короткого замыкания"
Для быстрого извлечения тока из термопар с высоким внутренним сопротивлением используются короткие импульсы замыкания через электронные ключи (например, полевые транзисторы). Ток короткого замыкания в цепи термопар моментально заряжает все конденсаторы до на много большего напряжения, чем выдаёт одна термопара.
3. Импульсный сброс энергии на нагрузку
После накопления энергии в конденсаторах происходит их управляемая разрядка в нагрузку. Поскольку конденсаторы способны отдать энергию значительно быстрее, чем способна её предоставить термопара напрямую — в нагрузке возникает мощный импульс тока.
4. Переменный ток на выходе
Благодаря чередованию двух конденсаторных блоков (например, A и B), которые поочередно заряжаются и разряжаются, формируется переменный ток на выходе.
Простая аналогия:
- Термопары — капельные источники воды.
- Все конденсаторы — стакан, который аккумулирует капли жидкости.
- Перекоммутация — это быстрый кран, открываемый "на полную", чтобы максимально быстро наполнить стакан.
- Нагрузка — колесо, которое крутится от того, как выливаете стакан.
Цикл: капли → стакан → резкий слив → вращение колеса → новый стакан → капли и т. д.
Такой цикл повторяется с частотой, обеспечивая на выходе устойчивый поток энергии.
Энергетический результат
В этом подходе ток в нагрузке больше не определяется внутренним сопротивлением термопар. Он зависит от:
- накопленной энергии в конденсаторах,
- их номинальной емкости,
- скорости перекоммутации цепей.
Почему КПД в 1% перестает быть актуальным?
Классический КПД для термоэлектрических преобразователей — примерно 1% — теряет смысл, если выделенную тепловую энергию мы всё равно не учитываем (например, в утилизации отходящего тепла).
Благодаря емкостной буферизации и импульсной коммутации:
- Энергия, которую термопара способна выдать, "извлекается полностью";
- Передача энергии в нагрузку – с минимальными потерями;
- Вся система работает на "своём максимуме", не разрушаясь и не перегреваясь.
Что это значит в практическом плане?
Емкостной термоэлектрический генератор открывает новые возможности:
- Энергоавтономные датчики и IoT-устройства с питанием от минимальной температурной разности;
- Утилизация низкопотенциального тепла на производстве;
- Новые источники свободной электроэнергии для бытовых и промышленных нужд — без движущихся частей и сложных систем.
Главный недостаток любых ТЭГ – их высокое внутреннее сопротивление – устранён за счёт емкостного накопления энергии и короткоимпульсной коммутации.
Главное: теперь эффективность определяется не формальным КПД термопары, а реализованной полезной выдачей энергии в нагрузку. Это — совсем другой подход.
Резюме:
Емкостной термоэлектрический генератор — это следующий шаг в развитии термогенерации: не замена ТЭГ, а их усиление через правильную схему преобразования энергии.
И эта технология уже способна решать реальные задачи.
