Реферат: Термоэлектрические генераторы

ТЕР­МО­ЭЛЕК­ТРИ­ЧЕ­СКИЕ ГЕ­НЕ­РА­ТО­РЫ

1) Об­щие све­де­ния о тер­мо­элек­три­че­скихге­не­ра­то­рах.

Тер­мо­элек­три­че­ские ге­не­ра­то­ры(ТЭГ) пред­став­ля­ют со­бой по­лу­про­вод­ни­ко­вые тер­мо­па­ры и пред­на­зна­че­ныдля пря­мо­го пре­об­ра­зо­ва­ния те­п­ло­вой энер­гии в элек­тро­энер­гию. ониис­поль­зу­ют­ся в пе­ре­движ­ных АЭУ, пи­таю­щих труд­но­дос­туп­ные объ­ек­ты,ко­то­рые мон­ти­ру­ют­ся в от­да­лен­ных рай­онах Зем­ли (ав­то­ма­ти­че­скиеме­тео­стан­ции, мор­ские мая­ки и т.п.). В пер­спек­ти­ве та­кие объ­ек­ты мо­гутмон­ти­ро­вать­ся на Лу­не или на дру­гих пла­не­тах. В ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ковте­п­ла для под­во­да к го­ря­чим спа­ям ТЭГ: ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы (РИ­ТЭГ),ядер­ные ре­ак­то­ры (ЯР­ТЭГ), сол­неч­ные кон­цен­тра­то­ры раз­лич­но­го ис­пол­не­ния(СТЭГ). Ори­ен­ти­ро­вочно при­ни­ма­ют, что при элек­тричес­ких мощ­но­стях от1 до 10 кВт на КЛА це­ле­со­об­раз­ны РИ­ТЭГ и СТЭГ, а при по­вы­шен­ных уров­няхмощ­но­сти — ЯР­ТЭГ. По­след­ние наи­бо­лее пер­спек­тив­ны для АЭУ КЛА.

          Дос­то­ин­ст­ваТЭГ: боль­шой срок служ­бы, вы­со­кая на­деж­ность, ста­биль­ность па­ра­мет­ров,виб­ро­стой­кость. Не­дос­тат­ки ТЭГ: не­вы­со­кие от­но­си­тель­ные энер­ге­тичес­киепо­ка­за­те­ли: удель­ная мас­са 10-15 кг/кВт, по­верх­но­ст­ная плот­ность мощ­но­сти10 кВт/м2  (на еди­ни­цу по­пе­речно­го се­че­ния эле­мен­та), объ­ем­ная плот­ность мощ­но­сти 200-400 кВт/м3 и срав­ни­тель­но низ­кий КПД пре­об­ра­зо­ва­нияэнер­гии (5-8%). При­ме­ни­тель­но к ЛА ТЭГ пред­став­ля­ют со­бой ба­та­реи крем­не-гер­ма­ние­вых тер­мо­элек­тричес­кихэле­мен­тов (ТЭЭ), ко­то­рые по мат­рично­му прин­ци­пу со­еди­не­ны в вет­вяхпо­сле­до­ва­тель­но, а вет­ви мо­гут иметь ме­ж­ду со­бой па­рал­лель­ные со­еди­не­ния.Ба­та­реи ТЭЭ за­ключены с гер­ме­тичные кон­тей­не­ры, за­пол­нен­ные инерт­нымга­зом во из­бе­жа­ние окис­ле­ния и ста­ре­ния по­лу­про­вод­ни­ков. Пло­скиеили ци­лин­д­ричес­кие кон­ст­рук­ции ТЭГ снаб­жа­ют­ся уст­рой­ст­ва­ми дляпод­во­да те­п­ла на го­рячих спа­ях и для его от­во­да на «хо­лод­ных»  спа­ях по­лу­про­вод­ни­ко­вых тер­мо­стол­би­ков.Кон­ст­рук­ция си­ло­вых элек­тро­вы­во­дов ТЭГ долж­на обес­печивать од­но­вре­мен­нотер­мо­плот­ность и элек­тричес­кую изо­ля­цию от кор­пу­са (кон­тей­не­ра),что пред­став­ля­ет дос­та­точно слож­ную тех­ничес­кую за­дачу.

2) Фи­зи­че­ские ос­но­вы ра­бо­тытер­мо­элек­три­че­ских ге­не­ра­то­ров.

          Вос­но­ве дей­ст­вия лю­бо­го ТЭЭ ле­жат об­ра­ти­мые тер­мо­элек­тричес­кие эф­фек­тыПель­тье, Том­со­на (Кель­ви­на) и Зебе­ка. Оп­ре­де­ляю­щая роль в ТЭГ при­над­ле­житэф­фек­ту тер­мо-ЭДС (Зе­бе­ка). Пре­об­ра­зо­ва­ние энер­гии со­про­во­ж­да­ет­сяне­об­ра­ти­мы­ми (дис­си­па­тив­ны­ми) эф­фек­та­ми: пе­ре­дачей те­п­ла засчет те­п­ло­про­вод­но­сти ма­те­риа­ла ТЭЭ и про­те­ка­нии то­ка. Ма­те­риа­лыТЭЭ с при­ме­ст­ной элек­трон­ной и ды­рочной про­во­ди­мо­стью по­лучают вве­де­ни­емле­ги­рую­щих до­ба­вок в кри­стал­лы ос­нов­но­го по­лу­про­вод­ни­ка.

<img src="/cache/referats/1866/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис. 1. Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма эле­мен­тар­но­го по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ТЭГ

          Прира­бочих тем­пе­ра­ту­рах Т SYMBOL 179 f «Symbol»900 SYMBOL 184 f «Symbol»100 К це­ле­со­об­раз­ныспла­вы 20-30% Ge-Si, а при Т SYMBOL 163 f «Symbol»600 SYMBOL 184 f «Symbol»800 К — ма­те­риа­лы наос­но­ве тел­лу­ри­дов и се­ле­ни­дов свин­ца, вис­му­та и сурь­мы. Схе­ма крем­ние­во­гоТЭЭ по­ка­за­на на рис. 1. Те­п­ло Q1под­во­дит­ся к ТЭЭ(ТЭГ) че­рез стен­ку на­гре­ва­те­ля 1 с по­мо­щью те­п­ло­но­си­те­ля ( на­при­мержид­ко­ме­тал­личес­ко­го), те­п­ло­вой тру­бы или при не­по­сред­ст­вен­номкон­так­те с зо­ной те­п­ло­вы­де­ле­ния ре­ак­то­ра. Че­рез стен­ку 7 хо­ло­диль­ни­кате­п­ло Q2 от­во­дит­ся от ТЭГ (из­лучени­ем, те­п­ло­но­си­те­лемили те­п­ло­вой тру­бой). Спаи по­лу­про­вод­ни­ко­вых кри­стал­личес­ких тер­мо­стол­би­ков4 и 9 об­ра­зо­ва­ны ме­тал­личес­ки­ми ши­на­ми 3 и 5, 8, ко­то­рые элек­тричес­киизо­ли­ро­ва­ны от сте­нок 1 и 7 слоя­ми ди­элек­три­ка 2, 6 на ос­но­ве ок­си­довтем­пе­ра­тур SYMBOL68 f «Symbol»Т = Т1-Т2.

          Эф­фек­тив­ностьТЭГ обес­печива­ет­ся су­ще­ст­вен­ной раз­но­род­но­стью струк­ту­ры вет­вей 4и 9. Ветвь р-ти­па с ды­рочной про­во­ди­мо­стьюпо­лучает­ся вве­де­ни­ем в сплав Si-Ge ак­цеп­тор­ных при­ме­сей ато­мар­но­гобо­ра В. Ветвь п-ти­па с элек­трон­нойпро­во­ди­мо­стью об­ра­зу­ет­ся при ле­ги­ро­ва­нии Si-Ge до­нор­ны­ми ато­ма­мифос­фо­ра Р. Из-за по­вы­шен­ной хи­мичес­кой ак­тив­но­сти и ма­лой ме­ха­ничес­койпрочнос­ти по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­риа­лов со­еди­не­ние их с ши­на­ми 3,5, 8 вы­пол­ня­ет­ся про­слой­ка­ми из спла­ва крем­ний-бор. Для дос­ти­же­нияста­биль­ной ра­бо­ты ба­та­рея ТЭЭ гер­ме­ти­зи­ро­ва­на ме­тал­личес­кой кас­се­той,за­пол­нен­ной ар­го­ном.

          Эф­фект Пель­тье. В по­гра­ничной плос­ко­сти- спае раз­но­род­ных по­лу­про­вод­ни­ков (или ме­тал­лов) — при про­те­ка­ниито­ка I по­гло­ща­ет­ся те­п­ло Qп, ес­лина­прав­ле­ние то­ка I сов­па­да­ют сна­прав­ле­ни­ем ре­зуль­ти­рую­ще­го те­п­ло­во­го по­то­ка ( ко­то­рый воз­никбы при по­дог­ре­ве спая). Ес­ли же на­прав­ле­ния то­ка I и это­го по­то­ка про­ти­во­по­лож­ны, Qп  про­ис­хо­дит от внеш­не­го ис­точ­ни­ка те­п­ла(из на­гре­ва­те­ля по­треб­ля­ет­ся до­пол­ни­тель­ная энер­гия) ли­бо из внут­рен­нихза­па­сов энер­гии, ес­ли внеш­ний ис­точ­ник от­сут­ст­ву­ет ( в этом слу­чаена­блю­да­ет­ся ох­ла­ж­де­ние спая). В замк­ну­той на со­про­тив­ле­нии Rптер­мо­элек­три­че­ской це­пи ТЭГ на го­ря­чих спа­ях стол­би­ков ТЭте­п­ло Qп по­гло­ща­ет­ся (эн­до­тер­ми­че­ский эф­фект). Этоох­ла­ж­де­ние Пель­тье на­до ком­пен­си­ро­вать до­пол­ни­тель­ным под­во­домте­п­ла SYMBOL68 f «Symbol»Qпиз­вне.На хо­лод­ных спа­ях те­п­ло Пель­тье вы­де­ля­ет­ся (эк­зо­тер­ми­че­ский эф­фект).Вы­де­лив­шее­ся те­п­ло Qпне­об­хо­ди­мо от­во­дить с по­мо­щью внеш­не­гоох­ла­ж­даю­ще­го уст­рой­ст­ва. Ука­зан­ные яв­ле­ния обу­слав­ли­ва­ют­ся пе­ре­рас­пре­де­ле­ни­емно­си­те­лей за­ря­дов (элек­тро­нов) по уров­ням энер­гии: при по­вы­ше­ниисред­ней энер­гии элек­тро­нов ее из­бы­ток вы­де­ля­ет­ся в спае. Те­п­ло Пель­тьепро­пор­цио­наль­но пе­ре­но­си­мо­му за­ря­ду: <img src="/cache/referats/1866/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> где  SYMBOL 112 f «Symbol»=SYMBOL 112 f «Symbol»(Т) — ко­эф­фи­ци­ент Пель­тье <img src="/cache/referats/1866/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

                Элек­три­че­скийток I=dq/dt, сле­до­ва­тель­но, энер­гия(за вре­мя t )  

<img src="/cache/referats/1866/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">  

а те­п­ло­вая мощ­ность

<img src="/cache/referats/1866/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

Об­ра­ти­мость эф­фек­та Пель­тьесо­сто­ит в том, что при пи­та­нии це­пи то­ком I от внеш­не­го ис­точ­ни­ка ха­рак­тер те­п­ло­во­го дей­ст­вия I на спай мож­но из­ме­нять ре­вер­си­ро­ва­ни­емна­прав­ле­ния то­ка. На этом ос­но­ва­но соз­да­ние тер­мо­элек­три­че­скихна­гре­ва­те­лей и хо­ло­диль­ни­ков. По­след­ние име­ют боль­ше прак­ти­че­скоезна­че­ние.

          Эф­фект Том­со­на (Кель­ви­на). Эф­фектТом­со­на 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 SYMBOL 68 f «Symbol»Т1-Т2SYMBOL 185 f «Symbol»0 в слу­чае сов­па­де­нияна­прав­ле­ний то­ка и гра­ди­ен­та <img src="/cache/referats/1866/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

вы­де­ля­ет­ся те­п­ло Том­со­наQт (на­грев от­рез­ка). При встреч­ных на­прав­ле­ни­ях I и SYMBOL 209 f «Symbol»Т те­п­ло Qт по­гло­ща­ет­ся (ох­ла­ж­де­ние от­рез­ка). Эф­фектобъ­яс­ня­ет­ся из­ме­не­ни­ем энер­гии дви­жу­щих­ся элек­тро­нов при пе­ре­ме­ще­ниив об­ласть с иным тем­пе­ра­тур­ным уров­нем. При ре­вер­се на­прав­ле­ния I на­блю­да­ет­ся об­ра­ти­мость эф­фек­таТом­со­на, т.е. пе­ре­ме­на эк­зо- или эн­до­тер­ми­че­ско­го ха­рак­те­ра те­п­ло­во­годей­ст­вия. Теп ло­вя энер­гия про­пор­цио­наль­на то­ку I и пе­ре­па­ду SYMBOL 68 f «Symbol»Т т.е. <img src="/cache/referats/1866/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> при­чем dT=|SYMBOL209 f «Symbol»T|dx. Сле­до­ва­тель­но (для <img src="/cache/referats/1866/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">                на р- и п-уча­ст­ках),

<img src="/cache/referats/1866/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

Здесь <img src="/cache/referats/1866/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">   — сред­нее зна­че­ние ко­эф­фи­ци­ен­та Том­со­надля дан­но­го ма­те­риа­ла. В од­но­мер­ном слу­чае             |SYMBOL 209 f «Symbol»T|=dT/dx. Те­п­ло­вая мощ­ность <img src="/cache/referats/1866/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> Ко­ли­че­ст­вен­ноезна­че­ние эф­фек­та Том­со­на вто­ро­сте­пен­но.

          Эф­фект Зе­бе­ка. В це­пи двух раз­но­род­ныхпро­вод­ни­ков или по­лу­про­вод­ни­ков, спай и кон­цы ко­то­рых име­ют пе­ре­падтем­пе­ра­тур, воз­ни­ка­ет эле­мен­тар­ная тер­мо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС 

 <img src="/cache/referats/1866/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

при­чем сред­нее зна­че­ние ко­эф­фи­ци­ен­таЗе­бе­ка

<img src="/cache/referats/1866/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">

Эф­фект об­ра­тим: ес­ли  со­от­но­ше­ние <img src="/cache/referats/1866/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038">  за­ме­нить на <img src="/cache/referats/1866/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">, то на­прав­ле­ние дей­ст­вия Е ме­ня­ет­ся, т.е. про­ис­хо­дит ре­верс по­ляр­но­сти ТЭЭ. Об­ра­ти­мостьэф­фек­та Зе­бе­ка со­про­во­ж­да­ет­ся об­ра­ти­мо­стью эф­фек­та Пель­тье.

Прин­цип ра­бо­ты ТЭЭ. (рис. 1). Ки­не­ти­че­ская энер­гияэлек­тро­нов на кон­це це­пи с <img src="/cache/referats/1866/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> вы­ше, чем на«хо­лод­ных» кон­цах с Т=Т2, сле­до­ва­тель­но, пре­об­ла­да­етдиф­фу­зия элек­тро­нов от го­ря­че­го спая к хо­лод­ным кон­цам. кон­цен­тра­цияэлек­тро­нов в р- и п-вет­вях раз­лич­на, по­это­му бо­лееот­ри­ца­тель­ный по­тен­ци­ал по­лу­ча­ет ко­нец тер­мо­стол­би­ка п-ти­па, по от­но­ше­ния к ко­то­ро­муко­нец стол­би­ка р-ти­па име­ет по­ло­жи­тель­ныйпо­тен­ци­ал. Раз­ность по­тен­циа­лов Е=Z(T1-T2) обу­слав­ли­ва­етток I ( при за­мы­ка­нии це­пи на со­про­тив­ле­ниеRнна­груз­ки) и по­лез­ную элек­три­че­скую мощ­ность<img src="/cache/referats/1866/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> Ра­бо­те ТЭГ со­пут­ст­ву­ютоб­ра­ти­мые эф­фек­ты.

3)Ба­та­реи тер­мо­элек­три­че­скихэле­мен­тов.

          Дляпо­лу­че­ния в ТЭГ ха­рак­тер­но­го на­пря­же­ния USYMBOL 187 f «Symbol»30 В при ЭДС од­но­го ТЭЭЕSYMBOL187 f «Symbol»0,1SYMBOL184 f «Symbol»0,3 В тре­бу­ет­ся по­сле­до­ва­тель­носо­еди­нить в ба­та­рею при­мер­но NSYMBOL 187 f «Symbol»102 ТЭЭ. при за­дан­ных раз­ме­рахсе­че­ния тер­мо­стол­би­ка и уров­нях то­ка I на­груз­ки не­об­хо­ди­мое чис­ло па­рал­лель­ных вет­вей в ба­та­рееоп­ре­де­ля­ет­ся плот­но­стью то­ка J=I/sSYMBOL187 f «Symbol»10A/см2. ДляКЛА вы­пол­ня­ют­ся ба­та­реи ТЭГ мощ­но­стью от еди­ниц до со­тен ватт. В СССРдля ста­цио­нар­ных и пе­ре­движ­ных АЭУ соз­да­ны РИ­ТЭГ се­рии «Бе­та»мощ­но­стью до 10 Вт на ра­дио­ак­тив­ном изо­то­пе це­рия 144Се.  Пло­ские и ци­лин­д­ри­че­ские ва­ри­ан­тыТЭГ оп­ре­де­ля­ют­ся их ком­по­нов­кой в бло­ке. Кас­кад­ное со­еди­не­ние ТЭГпо­зво­ля­ет по­вы­сить КПД пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии до SYMBOL 104 f «Symbol»SYMBOL 187 f «Symbol»0,13.В це­лях умень­ше­ния удель­ной мас­сы ТЭГ раз­ра­бо­та­нымно­го­слой­ные пле­ноч­ные ТЭЭ. пред­став­ля­ет ин­те­рес соз­да­ние в пер­спек­ти­веТЭГ в ви­де экс­пе­ри­мен­таль­ных ре­ак­то­ров-ге­не­ра­то­ров на ба­зе ин­те­граль­но­гоис­пол­не­ния ТЭЭ и те­п­ло­вы­де­ляю­щих эле­мен­тов (ТВЭЛ) из де­ля­щих­ся со­еди­не­нийти­па суль­фи­дов ура­на или то­рия, ко­то­рые об­ла­да­ют по­лу­про­вод­ни­ко­вы­мисвой­ст­ва­ми.

Литература: Алиевский Б. Л. Специальныеэлектрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1994г.