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.