Наноструктурные преобразователи тепла в электричество

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Принцип действия

1.2 Способы подключения

1.3 Типы термопар

1.5 Преимущества и недостатки термопар

1.4 Применение

1.6 Комбинированный сборщик низкопотенциальной энергии

Глава 2. Лабораторные исследования

2.1 Лабораторные исследования термопар на тонких пленках

Выводы

Список литературы

Введение

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Г.Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цели протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара. Термопара -- пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Принцип действия

Рис. 1. Термоэлектрический эффект.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте (рис.1). Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур.

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом ТЭДС (термоэлектродвижущая сила). У разных металлов коэффициент ТЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами ТЭДС в среду с температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂:

E = S*(Т2 - Т1), где S- коэффициент Зеебека, Е- термоЭДС.

ТЭДС термопары обусловлена тремя причинами: Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличия градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов -- квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры.[3]

1.2 Способы подключения

Рис.2.Схемы подключения термопары в измерительную цепь: а -- измерительный прибор 1 подключен соединительными проводами 2 к концам термоэлектродов 3 и 4; б -- в разрыв термоэлектрода 4; T1, Т2 -- температура «горячего» и «холодного» контактов (спаев) термопары.

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам (рис.2а). Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами ТЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников (рис.2б).

1.3 Типы термопар

1) Платинородий-платиновые.

Эти термопары могут быть применены для измерения температур до 1300°С при длительном применении и до 1600 °С при кратковременном, при условии их использования в окислительной газовой среде. При средних температурах платинородий-платиновая термопара зарекомендовала себя как очень надежная и стойкая, поэтому она применяется как образцовая в интервале 630 - 1064°С.

2) Хромель-алюмелевые.

Эти термопары предназначены для измерения температур при длительном применении до 1000°C и при кратковременном -- до 1300°С. Они надежно работают в этих пределах в окислительной атмосфере (если отсутствуют агрессивные газы), так как на поверхности электродов при нагреве образуется тонкая защитная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода в металл.

3) Хромель-копелевые.

Эти термопары позволяют измерять температуры длительно до 600°C и кратковременно до 800 °С. Они успешно работают как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере, а также в вакууме.

4) Железо-копелевые.

Пределы измерений -- те же, что и хромель-копелевых термопар, условия работы -- такие же. Она дает меньшую ТЭДС. по сравнению с термопарой ХК: 30,9 мВ при 500°C, но ее зависимость от температуры ближе к пропорциональной. Существенным недостатком термопары ЖК является коррозия ее выполненного из железа электрода.

5) Железо-константановые (Fe-Konst).

Допускают более широкий диапазон измерения от -250 до 700°С, если коррозионно-активная среда не препятствует их применению. Следует учитывать, что железо в присутствии влаги может коррозировать, а его термоэлектрические свойства в связи с этим изменяются.

1.4 Преимущества и недостатки термопар

Преимущества:

· Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01°С)

· Большой температурный диапазон измерения: от ?200 °C до 2500 °C

· Простота

· Дешевизна

· Надежность

Недостатки:

· Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01°С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

· Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный)

· Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

· Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

· На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

1.5 Применение

Полупроводниковых термопар нашло широкое применение в термоэлектрических генераторах. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию, они используются в передвижных АЭУ (атомных электроустановках), питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки). 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). В основе действия любого ТЭГ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье,Томсона и Зеебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термоЭДС (Зеебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭГ и протекания тока. Материалы ТЭГ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.

1.6 Комбинированный сборщик низкопотенциальной энергии

Японцы создали комбинированный сборщик низкопотенциальной энергии (membrana, 10 декабря 2010).

Новый генератор может вырабатывать электричество от тепла руки или сравнительно слабого света в помещении (рис.3). Миниатюрное устройство, которому дает большое будущее в карманной электронике, сочетает в себе две способности: генерирует ток за счёт света и получает энергию из разности температур в окружающей среде. Прибор, построенный Fujitsu Laboratories, не является результатом простой механической стыковки солнечной батареи и термоэлектрического генератора. Обе эти функции выполняет один и тот же набор деталей из органических полупроводников. По информации компании, такое решение позволяет рассчитывать, что серийные устройства данного типа будут недорогими.

Рис.3. Комбинированный сборщик низкопотенциальной энергии

Fujitsu полагает, что дешёвый и миниатюрный прибор мог бы питать медицинские датчики, фиксирующие температуру пациента, его кровяное давление и сердечный ритм, сенсоры на удалённых метеостанциях, пульты дистанционного управления или наручные часы.

Глава 2. Лабораторные исследования

2.1 Лабораторные исследования термопар на тонких пленках

Рис.4. Темопара CdO-Te.

Для лабораторных исследований использовали следующие типы термопар на основе тонких пленках Cd-Te и CdO-Te. Термопары были получены методом напыления в вакуумной установке.

Тонкая пленка представляет с собой термопару, состоящую из двух полупроводников (Cd-Te, CdO-Te). Используется простой метод подключения. Два разнородных полупроводника соединены спаем. Контакты термопары алюминиевые (рис.4).

Опыт проводиться последовательно, то есть с начало измеряем термопару на основе Cd-Te, потом СdO-Te. Кадмий отожжен в печке для получения оксида кадмия.

Рис. 5. Схема установки: 1- детектор, 2- источник питания, 3- столик с термопарой, 4- электрический термометр.

Установка для измерения термопар представляет собой (рис.5): источник питания, под напряжением 4B, нагревает спай термопары. Термопара преобразовывает из тепловой энергии в электричество. ЭДС фиксируется детектором. Температура фиксируется термометром.

Рис.6. График зависимости напряжения от температуры.

1 - с кадмием, 2 - с оксидом кадмия

По данным результатам был построен график зависимости напряжения от температуры (рис.6).

Итак, по графику видно, что термопара первого образца (Cd-Te) процесс идет медленнее и практически не изменяется. График второго образца (CdO-Te) при увеличении температуры значительно увеличилась ЭДС.

Выводы

Термопара нашла свое широкое применение для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температуры с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции, которое имеет датчик температуры этого вида, возможность работать в широком диапазоне и дешевизны. К числу достоинств относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур в агрессивных средах.

В лабораторных условиях было исследованы термопары, из которых наиболее лучший результат, видно по графику, показал образец CdO-Te.

Список литературы

термоэлектрический низкопотенциальный энергия термопара

1. Термопара, Свободная энциклопедия «Википедия». // <http://ru.wikipedia.org/>.

2. Термопара и терморезисторы, ZetLab « Испытательное измерительное оборудование».// < http://www.zetms.ru/>.

3. Сосновский А. Г., Столярова Н. И., Измерение температур. - М.: 1970.// <http://bse.sci-lib.com/>.

4. Термопара, Сайт о химии «Химик».// < http://www.xumuk.ru/>.

5. Термопара, Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969--1978.//< http://dic.academic.ru/>.

6. Датчик температуры. Термопара. Термосопротивления. Определение,ООО «КИП-Сервис».//< http://www.kipservis.ru/>.

7. Принципы работы и устройство термопары, Radiohlam.// <http://www.radiohlam.ru/>.

8. Применение термопар для измерения температуры, RealLab. // <http://www.rlda.ru/>.

9. Михаил Клоков, Термопара: проблемы и решения, ООО "ВиТэк".// <http://www.vitec.ru/>.

10. Применение термопары, Эталорос.// < http://www.etaloros.ru/>.

11. Термопары в векторной энергетике, PhisicRef.// <http://www.physicsstudy.ru/>.

12. «Японцы создали комбинированный сборщик низкопотенциальной энергии», Titus « События: науки и техники ».//<http://www.titus.kz/>.

Размещено на Allbest.ru