Термоэлектрические генераторы

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

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/м² (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.

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 = Т1-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 Qп, 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, 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 выделяется (экзотермический эффект). Выделившееся тепло Qп 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.

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-Т20

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 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.

Литература

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