CC BY
91
УДК 620.97
Е. С. Беспалов, А. Н. Головяшкин
РАЗРАБОТКА ГИБКОГО ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМНОЙ СТЕКЛОТКАНИ И ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА (В12Тез)
Аннотация. Использование термоэлектрических источников энергии позволит осуществлять генерацию электроэнергии без загрязнения окружающей среды, а также электрифицировать удаленные и труднодоступные районы. Необходимо детально рассмотреть вопрос поднятия КПД термоэлектрических модулей (ТЭМ) до 15-20 %. Достижение таких показателей возможно при осуществлении разработки нано-структурных термоэлектрических материалов нового поколения и через поиск новых конструктивных решений, которые способны повысить мощностные и удельно-весовые характеристики ТЭМ. В статье рассмотрена разработанная методика расчета электрофизических параметров ТЭМ и представлены результаты ее реализации в среде МаШСаС 15. Представлено описание алгоритма компьютерного моделирования тепловых и электрических полей ТЭМ в среде АЫБУБ У15.0 и приведены полученные в ходе моделирования результаты. Описана реализованная на практике автоматизированная методика испытаний выходных параметров ТЭМ и программа для автоматизированной записи и обработки результатов эксперимента.
Ключевые слова: термоэлектрический модуль, теллурид висмута, компьютерное моделирование, добротность, коэффициент Зеебека, термоэлектрические материалы.
Повышенное внимание к области термоэлектричества связано с возросшим энергопотреблением и проблемой рационального использования ресурсов. Использование термоэлектрических источников энергии позволит осуществлять генерацию электроэнергии без загрязнения окружающей среды и электрифицировать удаленные и труднодоступные районы. В будущем серьезным конкурентом для традиционных способов получения электроэнергии смогут стать термоэлектрические модули [1].
Объектом исследования является гибкий термоэлектрический модуль на основе кремнеземной стеклоткани и теллурида висмута (Б12Теэ).
Цель исследования заключается в разработке методики изготовления гибкого термоэлектрического модуля (ТЭМ), способного решать задачи по преобразованию тепловой энергии в электрическую в промышленности России. Гибкий ТЭМ найдет новые области применения, ранее не доступные для негибких ТЭМ, позволит решать новые задачи по преобразованию тепловой энергии в электрическую.
В ходе данного исследования была разработана универсальная методика расчета электрофизических параметров ТЭМ. Расчет проводился в трех температурных областях. Были определены их границы и рассчитаны температура истощения примеси Т. и температура перехода к собственной проводимости Т. для акцепторного и донорного полупроводника:
г. = ^-Е-5 к
1п
Г N
- Т =■ .
N а
1п
Г N.
(1)
N д
т.=кг
ДЕ
Г N N. }
т =
' I
1п
N 2
д
ДЕ
к Г Nr N.
(2)
1п
N.
где Eа и Eд - энергия акцепторного и донорного уровня соответственно; k - постоянная Больцмана; АЕд - ширина запрещенной зоны; Ыа и - концентрация акцепторной и донорной примеси соответственно; Nc и N.. - значения эффективной плотности со-
урс уср
стояний в зоне проводимости и в валентной зоне.
Для трех определенных ранее температурных диапазонов был проведен расчет концентрации носителей заряда, определена проводимость через подвижность и концентрацию носителей заряда:
§п = дЩп, § р = дрц р, (3)
где , Цр - подвижность электронов и дырок.
Было рассчитано удельное сопротивление и удельная теплопроводность:
р=-1; (4)
§
= , Хр = . (5)
е ^ е
После определения оптимальных конструкционных параметров ТЭМ, размеров полупроводникового элемента и количества термоэлектрических ветвей было рассчитано сопротивление и теплопроводность полупроводниковой термоэлектрической ветви:
К = РА + рР^2, (6)
где 5 = В * Ь, В, Ь, Н - размеры полупроводникового элемента;
к=хА+5А. (7)
Н Н2
Далее были определены коэффициент термоЭДС и основные электрофизические параметры ТЭМ. Рассчитано ТермоЭДС в контуре с заданной нагрузкой (рис. 1) и коэффициент полезного действия (рис. 2):
и = Кп, (8)
' 'полы '1
АТ ТТТ^ -1 , л
^ = Т ,_ Т ' (9)
ТН
где 1п - ток для п термоэлектрических ветвей; К - заданное сопротивление нагрузки; Z - термоэлектрическая добротность или критерий Йоффе; Ть и Тс - температура
горячего и холодного спая.
В ходе данной работы была получена универсальная методика расчета электрофизических параметров ТЭМ в зависимости от параметров конструкции и параметров выбранных материалов в среде Ma.th.cad 15. Опираясь на результаты, полученные в ходе аналитического расчета, заключаем, что пиковый КПД около 7 % для ТЭМ данной конструкции и на основе Б12Твз достигается при температурном градиенте АТ = 170 К.
Рис. 1. Результаты расчета напряжения ТЭМ на основе теллурида висмута с заданными конструкционными параметрами
Рис. 2. Результаты расчета коэффициента полезного действия ТЭМ на основе теллурида висмута с заданными конструкционными параметрами
Для дальнейшей разработки гибкого термоэлектрического модуля было проведено компьютерное моделирование ТЭМ в среде ANSYS v15.0. Для создания модели была выбрана отдельная термоэлектрическая ветвь, состоящая из одной пары полупроводниковых термоэлектрических элементов n и p типа проводимости размером 30x30x30 мм. Геометрия расчетной модели была создана в 3.0-редакторе DesignModeler (рис. 3). Для реализации моделирования в подпрограмме Engineering Data были созданы материалы со справочными параметрами, используемые в ТЭМ (медь, теллурид висмута, кремнеземная стеклоткань). Были заданы граничные условия, температура холодного и горяче-
го спая, параметры конвекционного обмена, контактные параметры, параметры нагрузочного элемента и параметры модуля решателя. Часть параметров была задана с использованием командных вставок на языке ЛРБЬ.
Рис. 3. Геометрия термоэлектрической ветви в графическом з^-редакторе DesignModeler
После запуска модуля решателя было получено распределение тепловых (рис. 4) и электрических (рис. 5) полей в термоэлектрическом модуле при создании разности температур между холодным и горячим спаем термоэлектрического элемента.
Рис. 4. Распределение тепловых полей ТЭМ при создании разности температур между горячим и холодным спаем
Рис. 5. Распределение электрических полей в термоэлектрической ветви при разности температур между горячим и холодным спаем
Каждому объекту модели был задан материал с ранее определенными параметрами и контактные параметры взаимодействия объектов.
Необходимо добиться от диэлектрического основания высокой теплопроводности, а полупроводниковый материал должен обладать низкой теплопроводностью и одновременно высокой электропроводностью для сохранения разности температур между холодным и горячем спаем термопары. Для гибкого термоэлектрического модуля предлагается кремнеземная стеклоткань, которая используется в данном компьютерном моделировании; как видно из его результатов, кремнеземная стеклоткань имеет высокие
Т) О о
показатели теплопроводности. В полупроводниковой ветви, составленной из теллурида висмута, наблюдается возникновение термоЭДС при создании разности температур между горячим и холодным спаем.
Далее была разработана автоматизированная методика испытаний экспериментального образца ТЭМ. Так как в начальный момент времени после приложения температурного воздействия напряжение, генерируемое ТЭМ, резко изменяется, то отследить динамику изменения с помощью обычного вольтметра не представляется возможным. Разработанная методика испытаний, реализованная на базе микроконтроллера ЛТше§а328, позволяет в режиме реального времени в ходе эксперимента получать зависимость изменения напряжения во времени и автоматизированно записывать все параметры эксперимента в файл с расширением На рис. 6 представлена реализованная схема эксперимента.
Рис. 6. Реализованная схема методики автоматизированного измерения напряжения ТЭМ
Для написания программного обеспечения методики испытаний было выбрано два программных комплекса «Arduino» и «PascalABC». Для регулирования работы микроконтроллера и отправки данных в порт USB ПК была написана программа в среде «Arduino» [2]. Для считывания данных из порта, их обработки, построения графиков и записи параметров эксперимента в файл была написана программа в среде «PascalABC». Рабочее поле программы представлено на рис. 7.
Рис. 7. Рабочее поле программы
Далее необходимо решить вопрос изготовления полупроводниковых элементов. Для этого был проведен обзор современных методов получения термоэлектрических структур на основе соединений Bi2Te3. Традиционные методы получения кристаллов полупроводникового Bi2Te3 (метод Чохральского и метод Бриджмена) просты в практической реализации, но готовые кристаллы имеют сравнительно более низкую степень чистоты. С помощью этих методов возможно получение достаточно крупных образцов монокристаллического Bi2Te3. Метод зонной плавки имеет высокие показатели химической чистоты, достаточно прост в реализации, но имеет ограничения по максимальному размеру структур Bi2Te3. Минусом метода Чохральского, Бриджмена и зонной плавки является недостаточность механизмов, способных влиять на внутреннюю структуру Bi2Te3. Будущее термоэлектричества - за наноструктурными материалами; наиболее прогрессивными являются методы химического синтеза структур Bi2Te3 (метод гидротермального синтеза и метод сольвотермального синтеза), которые позволяют получать двумерные, одномерные и нульмерные структуры, что оказывает значительное влияние на термоэлектрические свойства конечных нано-структурных материалов.
Был проведен анализ целесообразности применения наноструктурных полупроводниковых материалов ТЭМ; определено, что плотность электронных состояний зависит от размерности системы. Коэффициент Зеебека является функцией производной плотности состояний; он увеличивается в точках резких пиков зависимости плотности состояний от энергии. Для одномерных и нульмерных структур имеют место четко выраженные пики плотности электронных состояний. Разупорядоченность в реальных системах расширяет пики в рассчитанных плотностях состояний для квантовых проволок и квантовых точек, но общий характер зависимостей сохраняется. Это свидетельствует о том, что для низкоразмерных кристаллов следует ожидать резких скачкообразных увеличений коэффициента Зеебека, что приведет к увеличению КПД ТЭМ, но в то же время накладывает и дополнительные ограничения на характеристический размер (диаметр квантовой проволоки/квантовой точки или ширину квантовой ямы).
Заключение
В ходе данного исследования был разработан универсальный расчет электрофизических параметров термоэлектрического элемента в зависимости от его конструкции и выбранных материалов в среде Mathcad 15; разработана и реализована на практике автоматизированная методика испытаний выходных параметров ТЭМ, написана программа для автоматизированной записи и обработки результатов эксперимента; реализовано компьютерное моделирование тепловых и электрических полей ТЭМ в среде ANSYS 15. Кроме того, был проведен обзор современных методов получения термоэлектрических структур на основе соединений Bi2Te3 и анализ целесообразности применения нано-структурных полупроводниковых материалов ТЭМ.
Данная работа является основой для дальнейших исследований в этой области, направленных на увеличение КПД ТЭМ, удешевление и упрощение его производства, что внесет вклад в развитие энергетического комплекса страны.
Список литературы
1. Головяшкин, А. Н. Разработка гибкого термоэлектрического модуля на основе кремнеземной стеклоткани и теллурида висмута (Bi2Te3) с высоким КПД / А. Н. Головяшкин, Е. С. Беспалов // Молодой ученый. - 2015. - № 11 (91).
2. Аверин, И. А. Обеспечение формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации / И. А. Аверин, В. Е. Пауткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30). - С. 24-32.
Беспалов Евгений Сергеевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail:bespalvzhenja@rambler.ru
Головяшкин Алексей Николаевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет E-mail: angpenza@gmail.com
Bespalov Evgeniy Sergeevich
student,
Penza State University
Golovyashkin Aleksey Nikolaevich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of nano- and microelectronics, Penza State University
УДК 620.97 Беспалов, Е. С.
Разработка гибкого термоэлектрического модуля на основе кремнеземной стеклоткани и теллу-рида висмута (Bi2Te3) / Е. С. Беспалов, А. Н. Головяшкин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 2 (14). - C. 117-124.
