CC BY
26ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
BASIC PROBLEMS OF ENERGY AND RENEWABLE ENERGY
Статья поступила в редакцию 22.10.12. Ред. рег. № 1420 The article has entered in publishing office 22.10.12. Ed. reg. No. 1420
УДК 621.362.2
НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАТОРНОЙ БАТАРЕИ: ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА НАД АНАЛОГАМИ
11 12 А.В. Симкин , А.В. Бирюков , Н.И. Репников , О.Н. Иванов
1ООО «ТермоЭНЕРГИЯ БелГУ» 308015 Белгород, ул. Королева, д. 2а, корп. 2, оф. 517 Тел.: (4722) 20-13-86, факс: (4722) 20-13-86, e-mail: simkin_andrey@mail.ru 2Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов»
308015 Белгород, ул. Победы, д. 85 Тел.: (4722) 58-54-38, факс: (4722) 58-54-15, e-mail: Ivanov.Oleg@bsu.edu.ru
Заключение совета рецензентов: 23.10.12 Заключение совета экспертов: 24.10.12 Принято к публикации: 25.10.12
В работе приведен обзор конструкции термоэлектрической генераторной батареи радиально-кольцевого типа, изготовленной с использованием технологии коммутации ветвей в термоэлементах напылением барьерных и коммутационных слоев плазменно-дуговым методом. Проведен анализ недостатков конструкции аналога, изготавливаемого коммутацией методом пайки коммутационных пластин к ветвям термоэлементов.
Ключевые слова: термоэлектрическая батарея, термоэлектрический генератор, автономная система электроснабжения, плазменно-дуговое напыление, коммутационные слои, барьерные слои.
NEW GENERATOR THERMOPILE CONSTRUCTION: PARTICULARITIES AND ADVANTAGES OVER ANALOGS
A.V. Simkin1, A.V. Biryukov1, N.I. Repnikov1, O.N. Ivanov2
1"ThermoENERGY BSU" Ltd. 2a-2/517 Koroleva str., Belgorod, 308015, Russia Tel.: (4722) 20-13-86, fax: (4722) 20-13-86, e-mail: simkin_andrey@mail.ru 2Belgorod State National Research University, Joint Research Centre "Diagnostics of structure and properties of nanomaterials"
85 Pobedy str., Belgorod, 308015, Russia Tel.: (4722) 58-54-38, fax: (4722) 58-54-15, e-mail: Ivanov.Oleg@bsu.edu.ru
Referred: 23.10.12 Expertise: 24.10.12 Accepted: 25.10.12
This work reviews construction of generator thermopile radial-ring-type, made with use switching legs of thermopile by spraying barrier and switching layers by arc plasma spraying technology. Disadvantage of analog construction made by switching soldering switching plates to thermopile legs method been analyzed.
Keywords: thermoelectric battery, thermoelectric generator, autonomous power supply system, plasma-arc deposition, switching layers, barrier layers.
Сведения об авторе: научный сотрудник НИУ БелГУ, аспирант; главный инженер ООО «ТермоЭНЕРГИЯ БелГУ».
J
Андрей Владимирович Симкин
Сведения об авторе: старший научный сотрудник НИУ «БелГУ»; директор ООО «ТермоЭНЕРГИЯ БелГУ», канд. физ.-мат. наук.
Александр Викторович Бирюков
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (114) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Сведения об авторе: начальник отдела инновационной деятельности НИУ «БелГУ»; зам. директора ООО «Термо ЭНЕРГИЯ БелГУ», канд. физ.-мат. наук.
Николай Иванович Репников
Олег Николаевич Иванов
Сведения об авторе: НИУ
БелГУ, руководитель Центра коллективного пользования научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наномате-риалов», профессор, д-р физ.-мат. наук.
Введение
В настоящее время начинается новый этап развития энергетики с использованием генерирующих установок, безопасных и не наносящих вред экологии. Общество заинтересовано в получении экологически чистых, удобных в обращении, максимально приближенных к потребителю, рассредоточенных источников питания не слишком большой мощности, обладающих высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и не представляющих опасности ни для человека, ни для окружающей среды. Термоэлектрические устройства генераторного типа, обеспечивающие прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, работающие на эффекте Зеебе-ка, удовлетворяют этим требованиям.
Уникальное сочетание конструктивных и эксплуатационных характеристик термоэлектрических преобразователей энергии определяет многообразие использования термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и их составных частей термоэлектрических батарей (ТЭБ) в качестве источников электропитания, главным образом для автономных систем электроснабжения.
КПД ТЭГ пока низок (3-10%), но работы [1-7] по совершенствованию термоэлектрических материалов и конструкций ТЭБ [8, 9] позволяют надеяться на то, что в ближайшие годы он будет неуклонно возрастать.
В настоящей работе приводится анализ конструкции и технологии изготовления ТЭБ радиально-кольцевого типа, где для формирования барьерных и коммутационных слоев применяется высокопроизводительный метод плазменно-дугового напыления.
ТЭБ радиально-кольцевого типа и их применение
Радиальная конструкция представляет собой в основе трубчатый теплообменник, стенками которого является термобатарея. Цилиндрические элементы этих конструкций, с передачей тепла по радиусу, конструктивно хорошо сопрягаются с термоэлектрическими ТЭБ радиально-кольцевого типа.
Положительная сторона радиальных конструкций - высокие коэффициенты теплопередачи от источника тепла к термобатарее и от нее к охлаждающему
теплоносителю. При этом наиболее эффективно используется поверхность излучающих ребер. Другое, не менее важное преимущество - относительная компактность всего термоэлектрогенератора при удобстве изготовления и сборки [10].
Однако в известных конструкциях ТЭБ радиально-кольцевого типа [9], как правило, имеются следующие недостатки: низкий ресурс эксплуатации, связанный с деградацией свойств основных элементов конструкции; низкая механическая прочность, приводящая к аварийным отказам в ходе работы при значительных температурных градиентах; низкие электрофизические выходные параметры; невозможность работы в условиях значительных градиентов температур; низкие значения КПД и вырабатываемой электрической мощности. Немаловажными недостатками также являются нетехнологичность и сложность конструкции, приводящая к невозможности автоматизации и механизации процесса изготовления, и как следствие - высокая себестоимость и дороговизна ТЭБ радиально-кольцевого типа и ТЭГ в целом.
Особенности новой конструкции ТЭБ
Авторами разработана ТЭБ радиально-кольцевого типа, изображенная схематически на рис. 1. Она состоит из полупроводниковых ветвей с проводимо-стями р- и и-типов, выполненных в виде секторов полого цилиндра.
2
Рис. 1. Термоэлемент ТЭБ радиально-кольцевого типа: 1 - полупроводниковые ветви; 2 - наружное коммутационное покрытие; 3 - внутреннее коммутационное покрытие; 4 - барьерные слои Fig. 1. Thermoelement of generator thermopile radial-ring-type: 1 - semiconductor legs; 2 - external switching layer; 3 - internal switching layer; 4 - barrier layers
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (114) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Термоэлементы из полупроводниковых ветвей (рис. 2) соединены электрически в батарею внешним и внутренним коммутационными слоями металлов с высокой электропроводностью, например из ряда: серебро, медь, алюминий, никель, их сплавы. Коммутационные слои содержат барьерный слой, нанесенный непосредственно на полупроводниковые ветви в одном цикле нанесения с основным коммутационным слоем. Барьерный слой выполнен из металлов следующего ряда: ванадий, никель, сурьма, молибден, кобальт, хром, их сплавы. Барьерный слой служит для увеличения адгезии и предотвращения диффузии материала основного коммутационного слоя в полупроводник. Суммарная толщина коммутационного слоя (основного и барьерного) в зависимости от вида используемого металла и величины расчетного тока батареи может быть от 0,5 до 3 мм.
выполнен в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия также из электрокорунда (А1203), нитрида алюминия (АШ) или оксида бериллия (ВеО), нанесенного непосредственно на наружную поверхность коммутационных слоев методами напыления либо электрохимического оксидирования металла коммутации.
Рис. 2. Фотография скоммутированных пар ветвей
перед сборкой батареи Fig. 2. Photography of thermocouple contact before generator thermopile gathering
Топологию электрического соединения со сторон теплопереходов, а также электрическую и тепловую изоляцию ветвей между собой обеспечивает кассета (рис. 3). Кассета изготовлена из конструкционного изоляционного материала, например из полиимида, стеклотекстолита, фторопласта или слюды мусковит, а для высокотемпературных исполнений - из теплоизоляционной керамики форстерит или стеатит. Полупроводниковые ветви помещены в ячейки кассеты, чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке. Внутри кассеты с расположенными в ней скоммутированными электрически ветвями (рис. 1 и
2) находится цилиндрический теплоприемник (рис.
3), представляющий собой трубу круглого сечения из теплопроводного металла, например меди, алюминия, стали и пр. Теплоприемник с наружной стороны имеет электроизоляционное теплопроводное покрытие, например из электрокорунда (А1203), нитрида алюминия (АШ) или оксида бериллия (ВеО), нанесенное методами напыления или электрохимического оксидирования соответствующих металлов. Тепловыделяющий теплопереход наружной цилиндрической поверхности термоэлектрической батареи радиально-кольцевого типа не имеет наружной трубчатой оболочки, как у аналогичных конструкций, а
Рис. 3. Схематическое изображение (слева) ТЭБ радиально-кольцевого типа (наружная коммутация ветвей не показана) и изоляционная кассета (справа) заполняющая зазоры между ветвями термоэлементов: 1 - цилиндрический теплоприемник; 2 - изоляционная кассета; 3 - полупроводниковые ветви в форме секторов полого цилиндра Fig. 3. Schematic image (on the left side) of generator thermopile radial-ring-type (external switching layers not shown)
and dielectric cassette (on the right side) filling up interstice between legs of thermoelements: 1 - cylindrical heat absorber; 2 - dielectric cassette; 3 - semiconductor legs in form of sector hollow cylinder
Заявляемая термоэлектрическая батарея радиально-кольцевого типа работает следующим образом. Батарея размещается внутренним теплоприемником на трубчатой конструкции теплообменника, в котором теплоносителем осуществляется подведение тепловой энергии к теплопоглощающему теплопере-ходу батареи. На наружный тепловыделяющий теп-лопереход помещается радиатор, который может не иметь электроизоляционного покрытия. Тепловой поток, направленный в радиальном направлении через термоэлектрические элементы, создает перепад температур, при этом под действием эффекта Зеебе-ка на электрических выводах батареи генерируется термоЭДС. При подключении к электрическим выводам полезной нагрузки через электрическую цепь протекает электрический ток.
Аналог и его недостатки
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является конструкция термоэлектрической генераторной батареи [9], содержащая радиально-кольцевые ряды ветвей п- и р-типа проводимости в форме дугообразно согнутых брусков, соединенных электрически в последовательную цепь коммутирующими элементами в виде парусообразных коммутационных пластин (рис. 4).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (114) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Рис. 4. Термоэлектрическая генераторная батарея [9]: 1 - термомодуль; 2 - коммутирующие элементы;
3 - токоввод; 4 - внешняя трубчатая оболочка; 5 - внутренняя трубчатая оболочка; 6 - полость;
7 - коммутационные пластины Fig. 4. Thermoelectric generator thermopile [9]:
1 - thermocouple; 2 - switching elements; 3 - current lead;
4 - external tubular cover; 6 - interstice; 7 - switching plates
Батарея данной радиально-кольцевой конструкции имеет внешнюю и внутреннюю трубчатые оболочки, установленные таким образом, что батарея находится в полости между ними.
Этот аналог [9] разработанной конструкции весьма сложен в изготовлении. Как правило, эта конструкция требует следующих технологических операций ее изготовления:
- приемами порошковой металлургии полупроводниковые ветви изготавливаются с образованием по внутренней и внешней радиальной поверхностям ветвей подкоммутационного слоя, препятствующего процессам диффузии и способного подвергаться пайке;
- изготовление коммутационных пластин штампованием из листа металла;
- сборка кольцевых рядов ветвей проводится пайкой или диффузионной сваркой коммутационных пластин к ветвям;
- механическая обработка кольцевых рядов ветвей;
- сборка ТЭБ из рядов ветвей, осуществляемая пайкой или диффузионной сваркой;
- механическая обработка ТЭБ;
- приклейка трубчатых электроизоляционных оболочек.
Основным недостатком этой конструкции является малая механическая прочность и высокая хрупкость радиально-кольцевых рядов ветвей, из которых собирается данная ТЭБ. Такая батарея, обладая малой прочностью, может разрушаться под действием механических нагрузок, возникающих вследствие
теплового расширения и различия термических коэффициентов основных элементов конструкции. Преждевременный выход батареи из строя, как правило, происходит из-за низкой адгезии подкоммута-ционных слоев полупроводниковых ветвей, к которым производится пайка коммутационных пластин.
Нетехнологичность конструкции аналога [9] в первую очередь определяет необходимость использования сборки с применением процессов пайки либо сварки. При этом сборка кольцевых рядов ветвей требует применения сложной технологической оснастки. Серийно изготавливаемого оборудования для автоматизации процессов сборки радиально-кольцевых батарей такой конструкции нет, а имеющееся оборудование для пайки в инертных средах не может быть использовано по причине коррозионного воздействия химически активных флюсов и припоев при весьма высоких температурах пайки (> 650 К).
Наличие прослойки припоя в данной конструкции [9] между полупроводниковыми ветвями и коммутационными пластинами уменьшает электрофизические выходные параметры ТЭБ. Припой имеет низкую теплопроводность (от 10 до 90 Вт/м-К), что вносит паразитное тепловое сопротивление теплопоглощающего и тепловыделяющего теплопереходов ТЭБ.
Еще одним недостатком этой конструкции является необходимость приклейки ТЭБ к внутренней и внешней трубчатым оболочкам. Подобные трубчатые оболочки обычно выполнены из дорогостоящей электроизоляционной теплопроводной керамики толщиной более 3 мм для обеспечения механической жесткости конструкции. Прослойка теплопроводного клея, на который производится приклейка трубчатых оболочек, значительно увеличивает и без того высокое тепловое сопротивление теплопереходов ТЭБ, которое понижает КПД всей конструкции.
Технический результат
Технический результат, достигнутый новой конструкцией ТЭБ радиально-кольцевого типа:
- повышение КПД и электрофизических выходных параметров за счет устранения прослойки припоя между полупроводниковыми ветвями и коммутационными пластинами и теплопроводных слоев типа клея, пасты и т.п., т.е. за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах;
- механическая прочность и трещиностойкость конструкции за счет исключения припрессованных подкоммутационных слоев полупроводниковых ветвей, что позволяет обеспечить длительный ресурс безаварийной работы;
- технологичность конструкции за счет исключения в процессе изготовления ТЭБ операции припрессовки коммутационных слоев, сборки пайкой и размещения термомодулей в полости между внешней и внутренней трубчатыми оболочками;
- увеличение диапазона рабочих температур, т.к. предложенная конструкция ТЭБ обладает повышен-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (114) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
ной термостойкостью за счет исключения из конструкции припоя, обладающего более низким диапазоном рабочих температур по сравнению с диапазоном рабочих температур используемого полупроводника.
Дополнительный технический результат - эколо-гичность, безопасность изготовления предложенной ТЭБ за счет исключения из технологии операций пайки, как правило, осуществляемой вручную.
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, ГК № 8095р/12669 от 18.06.2010 г.
Список литературы
1. Булат Л.П., Пшенай-Северин Д.А., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Бланк В.Д., Пивоваров Г.И., Бублик В.Т., Та-бачкова Н.Ю. Механизмы увеличения термоэлектрической эффективности в объемных наноструктурных поликристаллах // Термоэлектричество. 2011. № 1. С. 14-19.
2. Булат Л.П., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Ос-венский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние рассеяния на границах на теплопроводность нанострукту-рированного полупроводникового материала на основе твердого раствора В1х8Ъ2-хТе3 // ФТТ. 2010. Т. 52, № 9. С. 1712-1716.
3. Cao Y.Q., Zhu T.J., Zhao X.B., Zhang X.B., Tu J.P. Nanostructuring and improved performance of ternary Bi-Sb-Te thermoelectric materials // Appl. Phys. A. 2008. Vol. 92. P. 321-324.
4. Fan X.A., Yang J.Y., Xie Z., Li. K., Zhu W., Duan X.K., Xiao C.J., Zhang Q.Q. Bi2Te3 hexagonal nanoplates and thermoelectric properties of w-type Bi2Te3 nanocomposites // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2007. Vol. 40. P. 5975-5979.
5. Harman T.C., Walsh M.P., Laforge B.E., Turner G.W. Nanostructured thermoelectric materials // J. Electron. Materials. 2005. Vol. 34, No. 5. P. L19-L22.
6. Minnich A.J., Dresselhaus M.S., Ren Z.F., Chen G. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects // Energy Environ. Sci. 2009. Vol. 2. P. 466-479.
7. Liu K., Wang J., Liu H., Xiang D. Preparation and characterization of nanostructured Bi2Se3 and Sno.5-Bi2Se3 // Rare Metals. 2009. Vol. 28, No. 2. P. 112-116.
8. Пат. 93584 Российская Федерация, МПК Н 01 L 35/00. Монолитная генераторная термоэлектрическая батарея / Иванов А.С., Прилепо Ю.П., Чернышова Т.И., Варламов С. А. // Опубл. 27.04.2010, Бюлл. № 12.
9. Пат. 51287 Российская Федерация, МПК Н 01 L 35/28. Термоэлектрическая генераторная батарея / Иванов А.С., Прилепо Ю.П., Кичик С.А., Варламов С. А. // Опубл. 27.01.2006, Бюлл. № 3.
10. Охотин А.С., Ефремов А.А., Охотин В.С., Пушкарский А. С. Термоэлектрические генераторы. М.: Атомиздат, 1971.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (114) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
