Реферат: 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.
Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ |
При рабочих температурах
Т 900 100 К целесообразны сплавы
20-30% Ge-Si, а при
Т 600 800 К - материалы на основе
теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема
кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1. 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.
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
Q
п 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.
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.
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.
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 : А
лиевский Б. Л. Специальные электрические машины. М.:
Энергоатомиздат, 1994г.