напряжения. Генераторы, разработанные во ВНИИТе, успешно используются также в качестве автономных источников электроэнергии, работающих на балонном, сжиженном Топливе [43].

К настоящему времени разработаны многочисленные варианты генераторов типа УГМ, их параметры приведены в табл. X. 1.

Генератор УГМ-1 содержит газовую горелку ИК излучения, теплоприемник, термобатарею, радиатор, корпус. Теплоприемник изготовлен в виде тепловой трубки, теплоноситель - вода. Топливо- пропан, бутан, расход 0,004 м/ч, ресурс 5 лет, время работы без осмотра 1 год. Габаритные размеры 360 X 208 X 242 мм, масса 5 кг [61].

В конструкции УГМ-100 СХ применен трубный термоэлектрический Модуль, подвод тепла к нему и отвод осуществлен кипящим теплоносителем, циркулирующим в замкнутых контурах. Ресурс генератора 5 лет, расход топлива 3 г/(Вт ч). Габаритные размеры 1020 X 540 X 1400 мм, масса 100 кг [62]. Модульная конструкция применена и в ТГГ-35 (мощность 35-50 Вт, напряжение 6В, расход топлива 3 кг/(кВт ч), габаритные размеры 300x 300x1500 мм, масса 35 кг).

Термогенераторы из проницаемых термоэлементов серии ПМГ разработаны в ИТТФ [64]. Они изготовляются из металлических термопар, помещенных в перфорированные пластины из высокотемпературной керамики размерами 65 X 45 X 12 мм. Диаметры отверстий в пластине несколько больше диаметра ветвей термопар. Перепад температуры на спаях создается продувкой газовоздушной смеси по отверстиям вдоль ветвей термопар в направлении от холодных спаев к горячим. Из таких модулей могут изготовляться генераторы мощностью 2-1000 Вт инапряжением 2-220 В. Ориентировочный расход газа 0,03 м*/ч на 1 В. Из проницаемых модулей изготовлен генератор М-30.

Многочисленные варианты генераторов для катодной защиты разработаны и за рубежом. Их конструкции подобны ТГК-3 и ТГК-300, развиваемая электрическая мощность до 300 Вт, напряжение от Здо 15 В, ток от 1,5 до 15А[63, 81, 91].

Перспективными являются автономные термогенераторы на сжиженном топливе. Разработаны варианты переносных и стационарных установок такого типа. В одном из вариантов переносного генератора массой менее 1 кг [27, 50] использована термобатарея из жаропрочных сплавов мощностью 1 Вт. Сжиженного газа в 4-килограммовом баллоне достаточно для работы в течение 150 ч. Генератор применяется для питания радиоаппаратуры в экспедиционных условиях. Стационарные ТЭГ.малой мощности служат для питания усилителей телефонных линий в отдаленных районах. Генератор мощностью около 1 Вт вмонтирован в полую опору телефонной линии, нижняя часть которой служит для хранения жидкого топлива [94]. Термобатарея из хромеля и константана развивает напряжение 25 В. Ресурс генератора 10 и более лет. Запас сжиженного газа рассчитан для работы в течение года. Сведения о термогенераторах на химическом топливе приведены в табл. Х.1.

§ 2. Солнечные генераторы

Ограниченность запасов химического топлива, термальное загрязнение окружающей среды электростанциями на химическом и ядерном топливе и широкое применение автономных источников питания для

космических аппаратов и таких наземных устройств, где подвод электричества линиями передач нецелесообразен, стимулируют разработку солнечных генераторов электрической энергии, в том числе и термоэлектрических [9, 38, 50, 51, 73].

Солнце излучает 4 10 кВт энергии, из нее на Землю падает около 10 кВт, т. е. более чем 1 кВт энергии на 1 м площади, перпендикулярной солнечным лучам.

Конструкции солнечных генераторов содержат три основных элемента: преобразователь излучения солнечной энергии в тепловую (его называют также приемной площадкой, приемной пластиной, коллектором), термоэлемент или термобатарею и устройство для отвода тепла, прошедшего через термоэлементы. Вспомогательными устройствами являются системы ориентации по солнцу, электрические узлы согласования с источниками, аккуму-* ляторы тепла и др. Эффективность работы термогенератора определяется его коэффициентом полезного действия т], который кроме КПД термо-

Рис. Х.Ю. Диаграмма распределения энергии в солнечном термогенераторе: А - солнечная энергия, падающая на приемную площадку генератора; Б - отраженная энергия; В - преобразованная в тепло вую энергия излучения; Г - потери тепла лучистым и конвективным теплообменом; и - энергия, подводимая к термоэлементу; Е - потерн тепла в термоэлементе; Ж - тепло, протекающее через термоэлемент; 3 - тепло, отведенное от термоэлемента; И - электрическая энергия.

элементов г] зависит от КПД преобразователя энергии солнечного излучения в тепловую т], и коэффициентов и т]д, которыми, как и в (Х.1), описываются потери тепла в термоэлементе и дополни-тельН1е потери электрической энергии для обеспечения работы вспомогательных устройств:

п = *]пПтэПэПд- (х.г)

Диаграмма распределения энергии в солнечном генераторе [39] приведена на рис. Х.Ю. Оптимизация конструкции для достижения максимального т] сводится к максимальному уменьшению непроизводительных потерь и созданию условий для реализации максималь-ного-т].1.Э.

Простейшим преобразователем излучения может служить черненая коммутационная пластина термоэлемента (рис. X. 11). Однако Мощность теплового потойа в этом случае недостаточна для достижения требуемых перепадов температуры, поэтому КПД термоэлемента такого генератора мал. Для его повышения используют различного типа концентраторы тепловой и лучистой энергии. В качестве тепловых концентраторов применяют плоские теплопрово-

дящие приемные площадки (см. рис. Х.П), площадь которых sj больше площади поперечного сечения термоэлементов s. В этом случае потоки тепла через термоэлемент и соответственно перепад

Рис. Х.П. Схемы простейших солнечных генераторов:

/ - с приемной площадкой, площадь которой равна площади коммутационной пластины; 2 - с развитой поверхностью приемной площадки.

температуры возрастают пропорционально s/s. Однако при увеличении Si возрастает и вклад потерь тепла, обусловленных лучистым и конвективным теплообменом, поэтому в конечном итоге перепад температуры не превышает 60- 80 К в Воздушной атмосфере и 100- 250 К в условиях космоса. Необходимые перепады температуры достигаются зеркальными концентраторами [38, 50, 51, 73] в виде параболоидов, отражателей Френеля или набора плоских зеркал (рис. X. 12).Оптимизация конструкции солнечного генератора [13, 14, 33, 58, 63, 75] производится путем выбора

коэффициента /Coj,.p=-итеплопровод-

ности термоэлементов (sj - эффективная площадь зеркала). При заданном S необходимое значение *о Достигается при оптимальной длине термоэлементов /дп Результаты расчета для

Рис. Х.12. Оптические концентраторы для солнечных термогенераторов:

/ - параболическое зеркало; 2 - отражатель Френеля; 3 -отражатель из набора плоских зеркал; 4 - термобатарея.

некоторых термоэлектрических пар [4] приведены в табл. X. 2.

Электрическая изоляция между элементами частично шунтирует тепловой поток через термобатарею, изоляция у горячих и холодных спаев приводит к перераспределению температуры между

к \о са Н

а. с е.

<

Si о е

Я

о у п

<+

4.С

О (Л

са J3

СО f-<

о. с

о. с

о. с

о. с

термоэлементом и изоляцией. Более точно оптимизация генератора проводится при учете тепловой изоляции между ветвями термоэлементов, а также между спаями теплоотводящей и обогреваемой излучением плит [15].

При 1!спользовании солнечных концентраторов поверхность термобатареи облучается неравномерно, спаи термоэлементов нагреваются До различных температур и КПД генераторов в большинстве случаев ухудшается [3, 7, 8, 21, 22. 28, 47].

Используют различные методы для выравнивания потоков на Поверхности горячих спаев. Для Этой цели применяют фацетные зеркала [7], гелиоприемники в виде поверхностей равных тепловых напряжений [59, 60], концентраторы специальной формы [10, 12], цилиндрические гелиоприемники [6, 17, 24, 36, 55], выравнивающие пластины большой теплопроводности на горячих спаях термобатареи или оптимизируют конструкцию с учетом неравномерного распределения потоков энергии, например, исполБзуя в термобатарее термоэлементы различной высоты [2]. Применение полостных приемников излучения кроме выравнивания температуры дает возможность улучшить поглощательную способность, применить аккумуляторы тепла [19, 45, 54, 93] и повысить КПД генераторов [6]. Дальнейшее повышение КПД преобразования достигается каскадированием термоэлементов.

1. Генераторы с ппоскими приемными площадками без оптических концентраторов

Эти генераторы отличаются простотой конструкции: обычно они изготовляются в виде горячего ящика (рис. X. 13) с несколькими расположенными друг над другом стеклами на стороне, обращенной к солнцу. Расстояние между стеклами обычно 1-3 см. Под стеклами на некотором удалении устанавливается плоская термобатарея, к Горячим спаям которой через электрическую изоляцию вмонтирована теплопроводная пластина. Если приемная плоскость для каждого из элементов набрана из изолированных друг от друга пластин, то изолировать спаи термоэлементов от пластин нет необходимости. В таком устройстве стекло частично защищает горячие спаи термоэлементов от теплообмена с окружающей средой, уменьшает потери тепла и повышает КПД преобразования. Большая поверхность теплоотвода позволяет удерживать холодные спаи при температуре, близкой к температуре окружающей среды.

Экспериментальные образцы 150, 69 солнечных генераторов были изготовлены еще в конце XIX в. К числу первых относилась и конструкция русского астронома В. К. Цераского - при освещении разработанного им генератора солнечные лучи приводили в действие электрический звонок.

М. ТекесГ571 разработаны и исследованы варианты небольших генераторов с плоскими защитными стеклами. В генераторах применены металлические термопары из хромеля и константана, из висмут-сурьмянистых сплавов (86,7% В. + 8,6% Sb и 91% Bi + , + 9% Sb), из ZnSb и константана, из ZnSb и висмут - сурьмы (91% Bi. - 9% Sb). При облучении спаи разогревались до температуры около 80° С. Использованы металлические термопары длиной 27 мм и сечением 10,3 мм. Применялись также полупроводниковые термопары С ветвями из ZnSb длиной 25 мм, сечением 126 мм*

и из BiSb (91% Bi - 9% Sb) длиной 25 мм, сечением 32 мм*. Электрическое сопротивление батареи при 20° С - 0,126 Ом, один элемент развивал термоЭДС 12 мВ. Для защиты от внешних тепловых воздействий использованы два плоских стекла.

Генератор относительно большой мощности (100 Вт) описан в рабсте [50]. Горячие ящики укреплены на раме, ориентированной в направлении восток - запад. Предусмотрена регулировка наклона рамы в различные времена года. Коллекторы солнечной

\/\ \ \ \ \ }

Рис. Х.13. Схема солнечного термогенератора с плоскими приемными площадками типа горячий ящик :

/-корпус; 2 - теплоизолирующие стекла; 3 -приемная плоскость; 4 - радиатор.

энергии алюминиевые; при облучении нагревались до 120-140 С. Тепловая защита выполнена из двух слоев стекла с зазором между ними. Генератор использовался для зарядки 24-вольтовой щелочной аккумуляторной батареи.

Сведения о наземных солнечных генераторах с плоскими приемными площадками приведены в табл. Х.З. Несмотря на конструктивную простоту, низкие значения КПД преобразования из-за малых перепадов температуры в термоэлементе и большой расход полупроводникового материала сдерживают применение генераторов такого типа. Некоторого улучшения параметров можно достичь при использовании селективных-Покрытий приемных площадок и стекол [29, 39, 71]. Покрытия приемных площадок должны иметь большой коэффициент Поглощения в видимой части спектра и по возможности малый в инфракрасной, защитные стекла - большой коэффициент пропускания в видимой части спектра и большой коэффициент отражения в инфракрасной.

3. Генераторы

с концентраторами солнечной энергии

Концентраторами относительно просто достигается увеличение плотности энергии и, соответственно, увеличение перепада температуры термогенератора, что позволяет при наличии подходящих ма-