Так называемые термоэлектрические явления, обусловленные
взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках
и позволяющие, в частности, преобразовывать тепло в электроэнергию,
вызывают сегодня все больший интерес у инженеров самых разных
специальностей, но прежде всего - у автомобилестроителей.
К термоэлектрическим явлениям относятся три физических эффекта,
названные по именам ученых, их открывших, - Зеебека, Пельтье и Томсона.
Наиболее широкое применение в технике нашел эффект Зеебека, состоящий в
возникновении электродвижущей силы - термоэдс - в замкнутой цепи,
составленной из последовательно соединенных разнородных проводников
тока, контакты между которыми имеют разные температуры. В частности, на
этом эффекте основано действие так называемых термопар -
термочувствительных элементов в устройствах для измерения температуры,
системах управления и контроля.
И именно этот эффект и интересует сегодняшних автомобилестроителей -
они рассчитывают использовать его для питания электропривода в
гибридных конструкциях, а также бортовой сети обычных автомобилей.
Новые материалы - новые надежды
Дело в том, что величина термоэдс, возникающей при эффекте Зеебека,
зависит не только от абсолютного значения температур "горячего" и
"холодного" контактов и от разности этих температур, но и от природы
самих контактирующих материалов. "Долгое время использование
термоэлектрического эффекта в автомобиле особого успеха не сулило, -
говорит профессор Эльмар Вагнер (Elmar Wagner), руководитель Института
средств физических измерений имени Фраунгофера во Фрайбурге, -
поскольку у природных материалов эффект выражен недостаточно сильно. И
лишь в последние 10-15 лет мы поняли, что существует возможность
искусственно синтезировать материалы с нужными нам свойствами,
раздельно изменяя, в частности, и такие параметры, как тепло- и
электропроводность. Это позволило настолько повысить эффективность
термоэлектрических элементов, что теперь получение в автомобиле
электроэнергии из тепловой представляется уже вполне перспективным".
Собственно, речь идет не столько даже о создании новых материалов,
сколько о придании старым материалам новой микро-, а точнее,
наноструктуры. Это могут быть слоистые материалы с толщиной слоя в
несколько нанометров или спеченные порошковые материалы с диаметром
зерна в несколько нанометров. Такая наноструктуризация может во много
раз усилить эффект Зеебека даже в столь хорошо известных термопарах
как, скажем, теллурид сурьмы и теллурид висмута. Это вселяет в
инженеров новые надежды.
Но их нынешний интерес к термоэлектричеству имеет, по словам
профессора Вагнера, и другие причины: "До сих пор энергия была
относительно дешевой, и мало кто заботился о том, чтобы сэкономить
процент-другой. Сегодня же, я полагаю, уже всем ясно, что проблема
энергосбережения будет сопровождать нас всегда. Это и заставило
инженеров заняться вторичными эффектами - в частности, обратиться к
идее использования тепла выхлопных газов для получения электроэнергии".
Термоэлектричество завоевывает позиции
Термоэлектричество может перенять в автомобиле и такую важную
функцию как питание многочисленных специальных сенсоров, поддерживающих
между собой связь с помощью радиосигналов. "Это позволило бы создавать
целые сети сенсоров, автономных в смысле энергоснабжения и не требующих
проводного подключения, - говорит профессор Вагнер. - Источником
энергии для них была бы окружающая среда. В автомобилестроении - да и в
самолетостроении тоже - у таких сенсоров огромный потенциал, но лишь в
том случае, если их не нужно соединять кабелями".
Важную роль пророчит термоэлектричеству и Герхард Бушман (Gerhard
Buschmann), возглавляющий отдел разработки дизельных двигателей в
берлинском Обществе инженеров автомобильного транспорта. По его мнению,
термоэлектрические генераторы позволят с толком использовать
значительную часть энергии, производимой двигателем внутреннего
сгорания и бессмысленно теряемой сегодня в виде тепла.
"Электроэнергию, необходимую любому современному автомобилю, а тем
более - автомобилю с гибридным приводом, - говорит Бушман, - мы
получаем сегодня крайне неэффективно: с помощью электромеханического
генератора, КПД которого не слишком высок. Так что если нам удастся
реализовать прямое получение электроэнергии из тепла, это будет
замечательно!"
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман
