CC BY
23
УДК 621.362.1
Излучающее термоэлектрическое устройство с рекуперацией энергии
Д-р техн. наук Т. А. ИСМАИЛОВ, канд. техн. наук Х. М. ГАДЖИЕВ
[email protected] Дагестанский государственный технический университет 367015, г. Махачкала, проспект Имама Шамиля, 70
Способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения, в котором используются светодиодные излучатели. Снизить энергопотребление системы охлаждения можно, добавив устройство для рекуперации излучения обратно в электроэнергию в виде солнечной батареи. Для повышения КПД целесообразно изменить конструкцию солнечных батарей выполнив их в виде прозрачных тонких пленок в многослойной структуре и размещения отдельных квадратных модулей в виде уголковых отражателей, а также использования явления фотоэффекта.
Ключевые слова: светодиодные излучатели, энергопотребление, солнечная батарея, многослойная структура, уголковые отражатели, фотоэффект.
Radiating thermoelectric device with power recuperation
D. Sc. T. A. ISMAILOV, Ph. D. H. M. GADZHIEV
Dagestan state technical university367015, Mahachkala, pr. I. Shamilja, 70
Proposed here is the way to remove heat from heat-emitting electronic components in the form of radiation by means of LED emitters. It is possible to reduce power consumption of a system by adding the device recuperating radiation back into electricity, such as a solar panel. The efficiency of the design will be further improved if solar panels are redesigned in the form of thin transparent films within a multilayer structure, separate rectangular modules are arranged as corner reflectors, and photoelectric effect is applied. Keywords: LED emitters, power consumption, solar panel, multilayer structure, corner reflectors, photoelectric effect.
Известен способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения [1], в котором используются светодиодные излучатели, предназначенные для преобразования тепловой энергии, поступившей с холодных спаев термомодуля в виде электрического тока в энергию излучения, отводящего тепло от охлаждаемого устройства в окружающую среду.
Для снижения энергопотребления системы охлаждения целесообразно добавить устройство для рекуперации излучения обратно в электроэнергию. Возможны различные варианты: использование солнечных батарей, явлений фотоэффекта или термогенераторов с предварительным преобразованием излучения в тепло.
Когда монохроматическое излучение с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны, падает на полупроводник вблизи /»-«-перехода, в нем образуют-
ся новые пары электрон-дырка. Это приводит к возникновению дополнительной разности потенциалов, что, в свою очередь, вызывает эффект прямого смещения и увеличения тока основных носителей.
Если внешняя цепь разомкнута, то устанавливается динамическое равновесие первичного светового тока избыточных неосновных носителей I созданных квантами света, и тока, обратного ему по направлению, обусловленного накоплением пространственных зарядов. Результирующая разность потенциалов представляет собой фото-ЭДС. При подключении внешней нагрузки происходит ответвление тока во внешнюю цепь. Суммарный ток, по-прежнему, будет равен световому. Поскольку направление фото-ЭДС и контактной разности потенциалов противоположно, ток I во внешней цепи будет равен:
4 = /с - С1)
где 1нас — ток неосновных носителей, проходящих через неосвещенный /-«-переход, равный току насыщения; иф — напряжение на зажимах фотоэлемента при включении нагрузки во внешнюю цепь.
Это уравнение представляет собой вольт-амперную характеристику (ВАХ) фотоэлектрического преобразования солнечного излучения (ФЭП). Значение и вычисляется по формуле
e
L, -1..
- + 1
(2)
Для разомкнутой цепи I = 0, тогда ЭДС фотоэлемента
с Т
e
4 - 4
V 1нас
+ 1
(3)
Максимальное значение еЕ, не может быть больше
ф
Ае0. Значение генерируемого светом тока короткого замыкания I = I определяется формулой
I* = h
, = e J 0т(hn) • N^(h»)d((m)
(4)
44
ВЕСТНИК МАХ № 1, 2014
где QT (Ну) — коэффициент собирания неосновных носителей (или абсолютная спектральная чувствительность элемента), который показывает, какая часть носителей, генерированных при поглощении фотонов с энергией hv, дает вклад в 1к з; Жф (Ну) — плотность потока фотонов с энергией hv, падающих на ФЭП.
На форму ВАХ существенное влияние оказывает сопротивление элемента: при его увеличении форма ВАХ становится более плоской, коэффициент заполнения и мощность уменьшаются. По ВАХ можно определить значения напряжения и и тока I , соответствующие режиму максимальной мощности:
еП еЕф
1 +
Цш kT
, kT ■
" eUm ' ( I Л
I =I -1 ElkF-1 = I 1 нас
m св нас св I
_ _ св
eUm
kT + eUJ
Для максимальной мощности имеет вид:
N =1 U =1 U | 1 + ^ | eUm = elU L, kT + eUm kT + eUm
(5)
(6)
(7)
и /нас = 10
см
, т. е. ^ < 10-4.
Максимальный КПД, т. е. КПД при согласованной нагрузке, представляется выражением
h max =
InUn
е1Ж
N„,
(kT + eUn ) N ш
- = k
IE
N
(8)
h = "
вать в других слоях. Таким образом, при сохранении невысокого КПД каждого слоя интегральный КПД многослойной солнечной батареи будет существенно увеличен и большая часть излучения успешно рекупе-риру ет фрос. 1).
Дополнительное повышение эффективности возможно за счет изменения конструкции солнечной батареи т рармещония отделкнрк кваиретных мохлей в виде уголковых отражателей. В этом случае каждый элемент уголкового отражателя будет взаимодейство-втсодшы иояыым л^чохи дмуоя оореженными (рис. 2). Это позволит троекратно повысить эффективность солнечной батареи при работе с отраженными еучдми. Ыахке
фотоэффекта, которое позволяет рекуперировать часть излучаемой энергии в электроэнергию за счет погло-щеррм Хотоновэхектронами
и приобретениями энергии, превышающими работу выхода. На рис. 3 показана конструкция многослойно-мо уетоойства,о котиромхедамлнческин сеткмжыпол-нены для положительного электрода из металла с низкой работой выхода для электронов (например, цезия) и для отрицательного электрода из хпобого металла, не способнооок фотоэффекту. Возможны различные комбинации рекуперирующих устро йств, повышающие эффективность работы и улучшающие эксплуатационные характеристики излучающих ТЭУ для охлаждения тепловыделяющих электронных компонентов.
где k — коэффициент заполнения, который определяет степень приближения ВАХ к прямоугольной форме. При /и/7нас > 104 , k > 0,72, т. е. h max > 0,72(/св E / N«0J.
При поступлении на ФЭП, имеющего температуру Т, энергии в узком спектральном интервале от поро-
kT;
Ш из общего излученщ
абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т1, его предельный КПД будет равен КПД цикла Карно:
Т - Т
1 2
(9)
С учетом джоулевых потерь, в самом ФЭП максимальный КПД имеет следующий вид:
Рис. 1.Фотоэффектна металлических поверхностях
* - I 1 - T
1 --
ln Deo ж T Ц 1
1 —2 +1
kT2 и T Ш _
Deo
kT
T
1 - T
T
(10)
Термоэлектрическое устройство с использованием солнечных батарей позволяет провести отиу-перацию за счет того, что фотоны солнечной батареи генерируют пары носителей, приводящие, в конечном итоге, к возникновению разности потенцитоое со средним КПД — преобразованием в пределах 18%. Для повышения КПД целесообразно изменить конструкцию солнечных батарей, выполнив их в видепдо-зрачных тонких пленок в многослойной структура. В этом случае фотоны, пролетевшие сквозь первый слой солнечной батареи, могут провзаимодеротво-
Рис. 2. Уголковый отражатель
св
см
св
Рис. 3. Конструкция многослойного устройства с металлическими снетками
1
Рис. 4. Конструкцияизлучающего ТЭУс рекуперацией энергии
Вариант конструкции устройствапоказан на рис. 4. Устройство состоит из термомодуля, в котором в ка-чистве полуиронодаиковыи ветвей р>-тииат исчтипо . оыбрачы такне мнеериалы, что протекнющийоок н£1 одном из спаев 3 будет формировать излучение, а не на-г°рв, как вощиною оермомод^с. к д^птм кпои^ бкт дет нупорходитъ ^нтуо^рн^^т^^лтвей энев-нр, I! соответствии с эффектом Пельтье, и солнечной батареи (/-слой — 1, с?-сеор — р), вт^1^с^лвои^1цот вр-о^п-о зование энергии излучения в электрическую энергию. Питание термомодуля осуществляется постоянным то-омм вт ис тоомерх7.
В качестве материалов для изготовления ветвей /-типа и и-типа термомодуля используют те же материалы, из которых изготавливают светодиоды, а именно фосфид галлия ЧаТ, нитдид галлия Ча^ карбид кремния и др.
Солнечная батарея разбита на параллельно-последовательные секции таким образом, чтобы напряжение питания системы охлаждения было тождественным напряжению солнечной батареи. Для этого элементарные компоненты солнечной батареи соединяются последовательно до тех пор, пока их интегральное напряжение
не совпадет с напряжением питания системы охлаждения. Затем, формируются аналогично следующие секции, которые объединяются уже параллельно, увеличивая ток солнечной батареи. При таком подходе отпадает необходимость в согласующих устройствах между солнечной батареей и системой охлаждения.
Нагрев солнечной батареи позволяет выработать дополнительную электроэнергию в случае установки на нее термогенератора. Конструкция термогенератора также представляет собой параллельно-последовательное соединение элементарных секций термоэлементов с целью получения одинаковых напряжений на термоге-нератореи системе охлаждения.
Применение представленного устройства в системах охлаждения позволит обеспечить более эффективное энергопотребление.
Список литературы
1. Патент РФ на изобретение № 2405230. Способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения/Исмаилов Т. А., Гаджи-ев Х. М., Гаджиева С. М., Нежведилов Т. Д., Челушки-на Т. А. Опубл. 27.11.2010, БИ № 33
2. Исмаилов Т. А., Евдулов О. В., Казумов Р. Ш. Экспериментальные исследования термоэлектрических теплообменных аппаратов проточного типа с тепловыми мостиками // Вестник Международной академии холода. 2010. № 4. С. 5-7.
3. Исмаилов Т. А., ГаджиевX М., Нежведилов Т. Д. Многослойное излучающее термоэлектрическое устройство // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2013. Т. 1. С. 90-93.
4. Исмаилов Т. А., Гаджиев X. М., Гаджиева С. М. Тонкопленочные термоэлектрические устройства с отводом тепла в виде излучения для охлаждения микросистемной техники // Научное приборостроение. 2013. Т. 23. № 3. С. 120-124.
5. Шер Э. М. Термоэлектрические преобразователи электрических и оптических сигналов — новый класс атермоэлектрических устройств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2008. № 6 (78). С. 3-10.
References
1. Patent RF na izobretenie № 2405230. Sposob ot-voda tepla ot teplovydeljajushhih jelektronnyh komponentov v vide izluchenija/Ismailov T. A., Gadzhiev H. M., Gad-zhieva S. M., Nezhvedilov T. D., Chelushkina T. A. Opubl. 27.11.2010, BI № 33
2. Ismailov T. A., Evdulov O. V., Kazumov R. Sh. Vest-nikMezhdunarodnoj akademii holoda. 2010. No 4. pp. 5-7.
3. Ismailov T. A., Gadzhiev H. M., Nezhvedilov T. D. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij Rossii. Ra-diojelektronika. 2013. T. 1. pp. 90-93.
4. Ismailov T. A., Gadzhiev H. M., Gad-zhieva S. M. Nauchnoepriborostroenie. 2013. Vol. 23. No 3. pp. 120-124.
5. Sher Je. M. Tehnologija i konstruirovanie v jelek-tronnoj apparature. 2008. № 6 (78). S. 3-10.
