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, которые 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 надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м 2 (на единицу поперечного сечения элемента), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5-8%).
Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на «холодных» спаях полупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность 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. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека).
Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.
Термоэлектрические генераторы
... ряда батарейных приемников за счет тепла, отдаваемого 20-линейной керосиновой осветительной лампой ... 1.2 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких ... Насколько малоэффективными оказывались тогда термоэлектрические генераторы, использовавшие солнечную энергию, видно из экспериментальных данных, опубликованных в 1922 г. Генератор, составленный из 105 ...
При рабочих температурах Т 900100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-Si, а при Т 600800 К — материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ
Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя (например жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой).
Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур
Т = Т 1-Т2 .
Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р -типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п- типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.
2.1 Эффект Пельтье
В пограничной плоскости — спае разнородных полупроводников (или металлов) — при протекании тока I поглощается тепло Q п, если направление тока I совпадают с направлением результирующего теплового потока ( который возник бы при подогреве спая).
Если же направления тока I и этого потока противоположны, Q п 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 R п термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях столбиков ТЭ тепло Q п поглощается (эндотермический эффект).
Это охлаждение Пельтье надо компенсировать дополнительным подводом тепла Q п извне. На холодных спаях тепло Пельтье выделяется (экзотермический эффект).
Выделившееся тепло Q п необходимо отводить с помощью внешнего охлаждающего устройства. Указанные явления обуславливаются перераспределением носителей зарядов (электронов) по уровням энергии: при повышении средней энергии электронов ее избыток выделяется в спае. Тепло Пельтье пропорционально переносимому заряду:
где =( Т ) — коэффициент Пельтье
Электрический ток
I=dq/dt ,
следовательно, энергия (за время t )
а тепловая мощность
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 холодильников. Последние имеют больше практическое значение.
Использование переменного тока в медицине
... тепла в тканях, при УВЧ-терапии - осцилляторный компонент, а при микро-волновой терапии хорошо выражены оба компонента. ДАРСОНВАЛИЗАЦИЯ Дарсонвализация - воздействие на организм импульсного тока высокой частоты (110 кГц), высокого ... и заживление поврежденных тканей. Применение дарсонвализации показано при заболеваниях ... В его основе лежат колебательные (осцил-ляторные) движения ионов, электронов, ...
2.2 Эффект Томсона (Кельвина)
Эффект Томсона относится к объемным (линейным) эффектам в отличие от плоскостного (точечного) эффекта Пельтье. при протекании тока I по термически неоднородному полупроводнику (или проводнику) на его отрезке (х1,х2 ) с перепадом
Т1-Т2 0
в случае совпадения направлений тока и градиента
выделяется тепло Томсона Q т (нагрев отрезка).
При встречных направлениях I и Т тепло Q т поглощается (охлаждение отрезка).
Эффект объясняется изменением энергии движущихся электронов 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. Теп ловя энергия пропорциональна току I и перепаду Т т.е.
причем
dT=|T|dx .
Следовательно (для на р — и п -участках),
Здесь — среднее значение коэффициента Томсона для данного материала.
В одномерном случае
|T|=dT/dx.
Тепловая мощность
Количественное значение эффекта Томсона второстепенно.
2.3 Эффект Зебека
В цепи двух разнородных проводников или полупроводников, спай и концы которых имеют перепад температур, 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 полярности ТЭЭ. Обратимость эффекта Зебека сопровождается обратимостью эффекта Пельтье.
2.4 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 п- ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец 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 сопротивление Rн нагрузки) и полезную электрическую мощность
Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.
3. Батареи термоэлектрических элементов
Для получения в ТЭГ характерного напряжения U30 В при ЭДС одного ТЭЭ Е0,10,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно N102 ТЭЭ. при заданных размерах сечения термостолбика и уровнях тока I нагрузки необходимое число параллельных ветвей в батарее определяется плотностью тока
J=I/s10 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 свойствами.
Электрический ток в вакууме. Электронные лампы. Их применение
... устремит к нему электроны. То есть внутри лампы потечет электрический ток. Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно ... к нити – минус. Если полярность менялась, то ток в цепи прекращался. Эдисон обнародовал этот эффект и получил патент на открытие. Правда, работу свою он, как говорится, до ...
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/termoelektricheskie-generatoryi/
1. Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1994 г.
