# Термоэлектрические генераторы (AMTEC)

![](https://3455823404-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MMZeXDA-8_D2eSijZss%2Fsync%2Fc1ebf15a72eb516030d746ee7775023a4a10e2f7.png?generation=1605859192681214\&alt=media)

Щелочно-металлический термоэлектрический генератор представляет собой электрохимическое устройство для прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Он использует циркуляцию рабочей жидкости из щелочного металла (калия или натрия) через твёрдый электролит в закрытом контуре для создания потока электронов во внешней цепи.

Щелочно-металлические термоэлектрические генераторы основаны на уникальных свойствах некоторых твёрдых керамических электролитов, таких как $$\beta-$$ или $$P-$$ оксид алюминия, из-за свойств кристаллической решётки, хорошо проводят ионы, но очень плохо проводят электроны.

Рабочая жидкость движется в закрытом [термодинамическом цикле](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/heat_engines.md#cycle) между источником нагрева и охлаждения, находясь между ними, находясь в состоянии пара в цикле, совершает работу в результате [изотермического расширения](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/heat_engines.md#process) рабочего пара, проходящего через электролит, преобразуемую в электрическую энергию.

## Принцип работы щелочно-металлического термоэлектрического преобразователя

Диаграмма ниже показывает основные компоненты системы.

![](https://3455823404-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MMZeXDA-8_D2eSijZss%2Fsync%2Fe9cf44ac9a9f887885675174c37ef67fcbf16011.png?generation=1605859204778411\&alt=media)

Термодинамический цикл работает следующим образом:

* Твёрдый электролит базы является проводником для ионов, но диэлектриком для электронов, расположенных в натриевой рабочей цепи, и на его обеих сторонах поддерживается разность температур
* Тепло поступает к анодной стороне, увеличивая температуру до 1000K, вызывая его испарение и увеличение давления до 20 кПа
* На холодной стороне устройства тепло отводится и температура падает до 700K и давление снижается до менее чем 100 Па. Несмотря на то, что эта сторона называется «холодной», температура остаётся относительно высокой для того, чтобы поддерживать натрий в жидком состоянии
* На анодной поверхности базы нейтральные атомы натрия в виде пара освобождают электроны ([окисление](https://konstantin-morenko-2.gitbook.io/electrical-technologies-and-batteries/khranenie-energii/chemistries#anode) - процесс потери атомом электронов). В результате натриевые ионы поглощают дополнительное тепло парообразования
* Из за наличия разности давлений с обеих сторон базы и различной проводимости электронов и ионов, положительные ионы натрия проходят через базу к катоду, в то время как электроды обеспечивают путь для свободных электронов для прохождения через внешнюю нагрузку, совершшая полезную работу на пути к катоду, где они рекомбинируются с ионами натрия для образования нейтрального пара металлического натрия ([восстановление](https://konstantin-morenko-2.gitbook.io/electrical-technologies-and-batteries/khranenie-energii/chemistries#cathode) - процесс получения электронов ионом)
* На холодной стороне пар освобождает дополнительное тепло парообразования и конденсируется в жидкий натрий, который транспортируется к горячей стороне электромагнитным насосом, или, в малых системах, простым пассивным стоком
* На горячей стороне натрий испаряется снова и цикл повторяется

Выходное напряжение между электродами составляет 1,4-1,6 В постоянного тока.

Система не имеет движущихся частей и может генерировать электричество пока тепло поступает и сохраняется разность температур на сторонах базы.

## Эффективность

Цикл, где натриевый пар нагревается и увеличивает давление, следующее расширение и падение давления через твёрдый электролит, и последующее охлаждение может быть рассмотрен как [Карно](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/history.md#carnot) [тепловой двигатель](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/heat_engines.md). Максимальный теортеический КПД (КПД цикла [Карно](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/history.md#carnot)) определяется как

$$\frac{1 - T\_{c}}{T\_{h}}$$

где $$T\_{h}$$ - температура горячей стороны устройства, а $$T\_{c}$$ — температура холодной стороны устройства. В приведённом примере она составляет

$$\frac{1 - 700}{1000} = 0,30,$$

хотя возможны значения до 0,40 при больших рабочих температурах.

На практике наибольший достигнутый коэффициент полезного действия, достигнутый при использовании щелочно-металлических термоэлектрических преобразователей, составляет 0,20, но он является достаточно высоким в сравнении с другим способом прямого преобразования с помощью [полупроводниковых термопреобразователей](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/thermoelectricity/README.md), имеющих КПД в диапазоне от 0,05 до 0,07. Этот факт является очень важным для [радиоизотопных термоэлектрических генераторов](https://konstantin-morenko-2.gitbook.io/electrical-technologies-and-batteries/khranenie-energii/battery-types/alternatives#rtg), которые используются в космических аппаратах, поскольку масса для такого термоэлектрического преобразователя для выработки аналогичного количества энергии должна быть в четыре раза меньше, чем аналогичного полупроводникового термоэлектрического преобразователя. Это приводит к уменьшению массы системы, экономии топлива и снижении цены.

В связи с тем, что щелочно-металлические термоэлектрические преобразователи не имеют движущихся частей и используют закрытый цикл преобразования, его общий коэффициент полезного действия лучше, чем у паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания, имеющих значительные потери преобразования, потери на трение и перекачку рабочих жидкостей. Эффективность всех этих систем снижается из-за наличия потерь, но паровые турбины и ДВС должны работать при более высокой разности температур для компенсации дополнительных потерь и достижения эффективности цикла Карно. Смотрите так же [эффективность тепловых двигателей](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/heat_engines.md#efficiency).

[История](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/history.md#amtec)