СодержаниеПлан:
1. Введение (общие сведения области применения)
2. Устройство и принцип действия
3. Физический эффект работы
4. Рабочие характеристики и параметры
5. Конструктивные схемы
6. Материалы
7. Перспективы развития
8. Литература
Введение.
Около двухсот лет назад Джеймс Уатт и Алессандро Вольта почти одновременно явили людям первую паровую машину и термоэлектричество. В то время оба этих вели-ких открытия технически были весьма безобразны и беспомощны — у них был крохотный коэффициент полезного действия. Тогда трудно было даже предугадать, что кто-то из них определит дальнейшее развитие техники.
Но так получилось, что человечество решило направить развитие цивилизации по пути, предложенному Джеймсом Уаттом. Оно поставило на тепловые машины и вообще на технику, требующую высоких температур и огром¬ных мощностей. За прошедшие годы эти параметры действительно все увеличивались. Сегодня мы располагаем электростан-циями с миллионами киловатт, а в лабораториях работают над еще более мощными мон-страми, в которых будут достигнуты температуры в сотни миллионов градусов. Причем над их совершенствованием трудятся миллионы лучших инженеров и ученых…
Однако уже очевидно — наши проблемы на планете будут усугубляться вместе с развитием достоинств этих машин. Понятно и другое — все эти замечательные достиже-ния человечеству нужно как можно скорее отправить на свалку истории техники и найти какой-то другой путь. И постараться при этом не дать убаюкать себя всем этим нефтяным, газовым, угольным, урановым и прочим лобби традиционной энергетики. Иначе — тупик.
Альтернативным направлением энергетики — термоэлектричеством, обнаружен-ным когда-то Алессандро Вольта, сегодня в мире занимаются около 800 человек. Внешне это явление не выглядит особенно сложным — стоит соединить два разнородных метал-лических или полупроводниковых материала, затем опустить это соединение в горячую воду, и между ними пойдет ток. Это и есть тот гениальный опыт, который когда-то впер-вые провел Вольта. Правда, у него не было даже прибора, чтобы измерять появившийся ток, и ему пришлось подключать концы проводов к препарированным ножкам лягушки. Когда они начали дергаться, ученый понял — в цепи возник ток!
Реальные термоэлектрические генераторы впервые были созданы в 1942 году в ле-нинградском институте под руководством одного из пионеров термоэлектричества, вели-кого ученого Абрама Иоффе. Во время войны перед институтом было поставлено задание обеспечить партизан источником электричества для связи с Большой землей, так как ак-кумуляторные батареи регулярно доставлять в тыл врага было сложно. Тогда физики из-готовили котелок с двойным дном, в котором за счет того, что между водой в котелке и костром был перепад температур, работала термоэлектрическая батарея. Она-то и обеспе-чила током радиопередатчики партизан. КПД был небольшой — около трех процентов, но электроэнергии хватало, чтобы передать или принять сообщение из центра.
Термоэлектрический генератор – это устройство для прямого преобразования теп-ловой энергии в электрическую с использованием полупроводниковых термоэлементов, соединенных между собой последовательно или параллельно. Применяются в качестве источников электроэнергии на станциях антикоррозионной защиты газо- и нефтепрово-дов, навигационных буях, маяках и т.п. объектах, где источником тепловой энергии могут служить газ (нефть), радиоизотопы, солнечное излучение.
Термоэлектрические генераторы обладают специфическими особенностями, де-лающими их незаменимыми во многих случаях. К таким особенностям относится отсутст-вие движущихся частей, что, в частности, допускает использование более высоких темпе-ратур цикла. Нет также необходимости в применении высоких давлений жидкостей или газов в основной схеме, поскольку цикл осуществляется посредством явлений, происхо-дящих в самом термоэлектрическом материале. Термоэлектрические генераторы можно использовать при больших и малых перепадах температур, а также при низких и высоких температурах, т. е. термоэлектрический цикл универсален, он допускает использование практически любых источников тепла.
Расход термоэлектрических материалов может быть небольшим, так как к. п. д. термоэлемента теоретически не зависит от размеров, но связан со способами подвода теп-ла, с контактными сопротивлениями и другими конструктивными особенностями. Управ-ление термоэлектрическим генератором может быть сведено только к регулированию по-дачи топлива, так как в принципиальной части схемы нет машин и механизмов. Это об-легчает создание автоматически работающих электростанций.
Хотя термоэлектрические явления и были открыты в первой половине прошлого века, но они не получили тогда применения в энергетике из-за низкой тепловой эконо-мичности. В настоящее время применение полупроводников и слоистых термоэлементов может обеспечить использование тепла с к. п. д. до 10—20% и более.
Развитие атомной энергетики расширило сферы применения термоэлектрических генераторов. С конца пятидесятых годов стали разрабатываться и осуществляться термо-электрические генераторы, использующие тепло распада радиоактивных изотопов и энер-гию деления урана в ядерных реакторах. Такие энергетические установки небольшой мощности нашли применение в космических аппаратах, работающих в отрыве от земных энергетических ресурсов, в морском деле (маяки, метеорологические станции) и в других областях техники. В 1964 г. в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова был пущен первый в мире ядерный реактор с термоэлектрическим генератором тока мощностью 500 Вт. С начала семидесятых годов обсуждаются атомные термоэлектрические установки мощностью в десятки, сотни и тысячи киловатт.
Дос¬то¬ин¬ст¬ва ТЭГ: боль¬шой срок служ¬бы, вы¬со¬кая на¬деж¬ность, ста¬биль¬ность па¬ра¬мет¬ров, виб¬ро¬стой¬кость. Не¬дос¬тат¬ки ТЭГ: не¬вы¬со¬кие от¬но¬си¬тель¬ные энер¬ге¬тичес¬кие по¬ка¬за¬те¬ли: удель¬ная мас¬са 10-15 кг/кВт, по¬верх¬но¬ст¬ная плот¬ность мощ¬но¬сти 10 кВт/м2 (на еди¬ни¬цу по¬пе¬речно¬го се¬че¬ния эле¬мен¬та), объ¬ем¬ная плот¬ность мощ¬но¬сти 200 – 400 кВт/м3 и срав¬ни¬тель¬но низ¬кий КПД пре¬об¬ра¬зо¬ва¬ния энер¬гии (5-8%).ВведениеУстройство и принцип действия
Рис. 1. Прин¬ци¬пи¬аль¬ная схе¬ма эле¬мен¬тар¬но¬го по¬лу¬про¬вод¬ни¬ко¬во¬го ТЭГ
Тер¬мо¬элек¬три¬че¬ские ге¬не¬ра¬то¬ры (ТЭГ) пред¬став¬ля¬ют со¬бой по¬лу¬про¬вод¬ни¬ко¬вые тер¬мо¬па¬ры. Оп¬ре¬де¬ляю¬щая роль в ТЭГ при¬над¬ле¬жит эф¬фек¬ту тер¬мо-ЭДС (Зе¬бе¬ка). Пре¬об¬ра¬зо¬ва¬ние энер¬гии со¬про¬во¬ж¬да¬ет¬ся не¬об¬ра¬ти¬мы¬ми (дис¬си¬па¬тив¬ны¬ми) эф¬фек¬та¬ми: пе¬ре¬дачей те¬п¬ла за счет те¬п¬ло¬про¬вод¬но¬сти ма¬те¬риа¬ла ТЭЭ и про¬те¬ка¬нии то¬ка. Полупроводниковые материалы, использующиеся в таких генераторах, должны иметь как можно больший коэффициент термо - ЭДС, хорошую электропроводность и малую теплопроводность. Последнее необходимо для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодными и горячими спаями кристаллов. Этим требо-ваниям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы.
Те¬п¬ло Q1 под¬во¬дит¬ся к ТЭЭ (ТЭГ) че¬рез стен¬ку на¬гре¬ва¬те¬ля 1 с по¬мо¬щью те¬п¬ло¬но¬си¬те¬ля ( на¬при¬мер жид¬ко¬ме¬тал¬личес¬ко¬го), те¬п¬ло¬вой тру¬бы или при не¬по¬сред¬ст¬вен¬ном кон¬так¬те с зо¬ной те¬п¬ло¬вы¬де¬ле¬ния ре¬ак¬то¬ра. Че¬рез стен¬ку 7 хо¬ло¬диль¬ни¬ка те¬п¬ло Q2 от¬во¬дит¬ся от ТЭГ (из¬лучени¬ем, те¬п¬ло¬но¬си¬те¬лем или те¬п¬ло¬вой тру¬бой). Спаи по¬лу¬про¬вод¬ни¬ко¬вых кри¬стал¬личес¬ких тер¬мо¬стол¬би¬ков 4 и 9 об¬ра¬зо¬ва¬ны ме¬тал¬личес¬ки¬ми ши¬на¬ми 3 и 5, 8, ко¬то¬рые элек¬тричес¬ки изо¬ли¬ро¬ва¬ны от сте¬нок 1 и 7 слоя¬ми ди¬элек¬три¬ка 2, 6 на ос¬но¬ве ок¬си¬дов тем¬пе¬ра¬тур *Т = Т1-Т2.
Эф¬фек¬тив¬ность ТЭГ обес¬печива¬ет¬ся су¬ще¬ст¬вен¬ной раз¬но¬род¬но¬стью струк¬ту¬ры вет¬вей 4 и 9. Ветвь р-ти¬па с ды¬рочной про¬во¬ди¬мо¬стью по¬лучает¬ся вве¬де¬ни¬ем в сплав Si-Ge ак¬цеп¬тор¬ных при¬ме¬сей ато¬мар¬но¬го бо¬ра В. Ветвь п-ти¬па с элек¬трон¬ной про¬во¬ди¬мо¬стью об¬ра¬зу¬ет¬ся при ле¬ги¬ро¬ва¬нии Si-Ge до¬нор¬ны¬ми ато¬ма¬ми фос¬фо¬ра Р. Из-за по¬вы¬шен¬ной хи¬мичес¬кой ак¬тив¬но¬сти и ма¬лой ме¬ха¬ничес¬кой прочнос¬ти по¬лу¬про¬вод¬ни¬ко¬вых ма¬те¬риа¬лов со¬еди¬не¬ние их с ши¬на¬ми 3, 5, 8 вы¬пол¬ня¬ет¬ся про¬слой¬ка¬ми из спла¬ва крем¬ний-бор. Для дос¬ти¬же¬ния ста¬биль¬ной ра¬бо¬ты ба¬та¬рея ТЭЭ гер¬ме¬ти¬зи¬ро¬ва¬на ме¬тал¬личес¬кой кас¬се¬той, за¬пол¬нен¬ной ар¬го¬ном.
Поскольку для работы в термоэлектрическом генераторе не требуется высокая чис-тота применяемых материалов, то ге¬нераторы получаются относительно дешевыми и ус-пешно рабо¬тают в усло¬виях проникающей радиации. Батарея термоэлементов собирается из кристаллов, размещенных между нагреваемой и охлаждаемой поверхностями.ЛитератураЛитература
1. Алиевский Б. Л. Специальные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1994г.
2. Бернштейн А.С.Термоэлектрические генераторы.: Массовая радиобиблиотека № 252 за 1956 год
3. В.В. Каминский, С.М. Соловьёв. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS. ФТТ, 2001.
4. В.В. Каминский, Л.Н. Васильев, М.В. Романова, С.М. Соловьёв. Механизм возникнове-ния электродвижущей силы при нагревании монокристаллов SmS. ФТТ, 2001.
5. Журнал Nature, январь 2008 года
|
|
