Термоэлектрические генераторы

План реферата

1) Общие сведения о термоэлектрических генераторах.

2) Физические основы работы термоэлектрических генераторов.

3) Батареи термоэлектрических элементов.

Литература :

1) Общие сведения о термоэлектрических генераторах.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию. они используются в передвижных АЭУ , питающих труднодоступные объекты, кото-рые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ : радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности - ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для АЭУ КЛА.

Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надеж-ность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м (на единицу поперечного сечения элемента ), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5-8%). Применительно к ЛА ТЭГ пред-ставляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соедине-ны в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герме-тичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилинд-рические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на "холодных" спаях по-лупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электро-выводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплот-ность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу.

2) Физические основы работы термоэлектрических генераторов.

В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зебека. Опре-деляющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (дисси-пативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ с приме-стной электронной и дырочной проводимостью получают введе-нием легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.

Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупровод-никового ТЭГ

При рабочих температурах Т * 900 * 100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-Si, а при Т * 600 * 800 К - материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1. Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя ( например жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредствен-ном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоноси-телем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристал-лических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими ши-нами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур *Т = Т1-Т2.

Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разно-родностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной про-водимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п-типа с электронной прово-димостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соеди-нение их с шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.

Эффект Пельтье. В пограничной плоскости - спае разно-родных полупроводников (или металлов) - при протекании тока I поглощается тепло Qп, если направление тока I совпадают с направлением результирующего теплового потока ( который возник бы при подогреве спая). Если же направления тока I и этого пото-ка противоположны, Qп происходит от внешнего источника тепла (из нагревателя потребляется дополнительная энергия) либо из внутренних запасов энергии, если внешний источник отсутствует ( в этом случае наблюдается охлаждение спая). В замкнутой на сопротивлении Rп термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях столбиков ТЭ тепло Qп поглощается (эндотермический эффект). Это охлаждение Пельтье надо компенсировать дополнительным подводом тепла *Qп извне. На холодных спаях тепло Пельтье вы-деляется (экзотермический эффект). Выделившееся тепло Qп не-обходимо отводить с помощью внешнего охлаждающего устрой-ства. Указанные явления обуславливаются перераспределением носителей зарядов (электронов) по уровням энергии: при повыше-нии средней энергии электронов ее избыток выделяется в спае. Тепло Пельтье пропорционально переносимому заряду: где - коэффициент Пельтье
Электрический ток I=dq/dt, следовательно, энергия (за время t )

а тепловая мощность  su Обратимость эффекта Пельтье состоит в том, что при питании цепи током I от внешнего источника характер теплового действия I на спай можно изменять реверсированием направления тока . На этом основано создание термоэлектрических нагревателей и хо-лодильников. Последние имеют больше практическое значение.

Эффект Томсона (Кельвина) . Эффект Томсона относится к объемным (линейным) эффектам в отличие от плоскостного (то-чечного) эффекта Пельтье. при протекании тока I по термически неоднородному полупроводнику (или проводнику) на его отрезке (х_1,х₂) с перепадом *Т1-Т2*0 в случае совпадения направлений тока и градиента выделяется тепло Томсона Qт (нагрев отрезка). При встречных направлениях I и *Т тепло Qт поглощается (охлаждение отрезка). Эффект объясняется изменением энергии движущихся электро-нов при перемещении в область с иным температурным уровнем. При реверсе направления I наблюдается обратимость эффекта Томсона, т.е. перемена экзо- или эндотермического характера теплового действия. Тепловя энергия пропорциональна току I и пе-репаду т.е. причем dT=|*T|dx. Следовательно (для на р- и п-участках),

Здесь

- среднее значение коэффициента Том-сона для данного материала. В одномерном случае |*T|=dT/dx. Тепловая мощность

Количественное значение эффекта Томсона второстепенно.

Эффект Зебека. В цепи двух разнородных проводников или полупроводников, спай и концы которых имеют перепад темпера-тур, возникает элементарная термо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС

причем среднее значение коэффициента Зебека

Эффект обратим: если соотношение заменить на , то направление действия Е меняется, т.е. происходит реверс по-лярности ТЭЭ. Обратимость эффекта Зебека сопровождается об-ратимостью эффекта Пельтье.
Принцип работы ТЭЭ. (рис. 1). Кинетическая энергия электронов на конце цепи с выше, чем на "холодных" концах с Т=Т2 , следовательно, преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам. концентрация электронов в р- и паветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает ко-нец термостолбика п-типа, по отношения к которому конец столбика р-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов Е=Z(T1-T2) обуславливает ток I ( при замыкании цепи на сопро-тивление Rн нагрузки) и полезную электрическую мощность Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.

3) Батареи термоэлектрических элементов.

Для получения в ТЭГ характерного напряжения U*30 В при ЭДС одного ТЭЭ Е*0,1*0,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно N*102 ТЭЭ. при заданных размерах сечения термостолбика и уровнях тока I нагрузки необходимое число параллельных ветвей в батарее определяется плотностью то-ка J=I/s*10 A/см2. Для КЛА выполняются батареи ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. В СССР для стационарных и передвижных АЭУ созданы РИТЭГ серии "Бета" мощностью до 10 Вт на радиоактивном изотопе церия 144Се. Плоские и цилиндрические варианты ТЭГ определяются их компоновкой в блоке. Каскадное соединение ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до **0,13. В целях уменьшения удельной массы ТЭГ разработаны многослойные пленочные ТЭЭ. представляет интерес создание в перспективе ТЭГ в виде экспериментальных реакторов генераторов на базе интегрального исполнения ТЭЭ и тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) из делящихся соединений типа сульфидов урана или тория, которые обладают полупроводниковыми свойства-ми.

Литература :

1. Алиевский Б. Л. Специальные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1994г.