ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ БАТАРЕЯ ОСОБЕННОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЕРМОГРАДИЕНТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

THERMOGRADIENT ENERGY

Статья поступила в редакцию 08.07.13. Ред. рег. № 1715

The article has entered in publishing office 08.07.13. Ed. reg. No. 1715

УДК 621.362.2

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ БАТАРЕЯ: ОСОБЕННОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

А.В. Симкин, О.Н. Иванов

Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов»

ул. Победы 85, г. Белгород, 308015, Россия Тел.: (4722) 20 13 86, факс: (4722) 20 13 86, e-mail: simkin_andrey@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 13.07.13 Заключение совета экспертов: 18.07.13 Принято к публикации: 23.07.13

В работе приведен обзор жесткой плоской конструкции термоэлектрической генераторной батареи. Приведены характеристики образцов изготовленных батарей с применением экструдированных полупроводниковых ветвей из твердых растворов теллурида висмута. Проведен анализ преимуществ и недостатков конструкции.

Ключевые слова: термоэлектрическая батарея, термоэлектрический генератор, полупроводниковая ветвь, теллурид висмута

GENERATING THERMOPILE: PECULIARITIES AND CHARACTERISTICS

A.V. Simkin, O.N. Ivanov

Belgorod State National Research University, Center for collective use of scientific equipment «Diagnostics of structure and properties of nanomaterials» 85 Pobedy St., Belgorod, 308015, Russia Tel.: (4722) 20 13 86, fax: (4722) 20 13 86, e-mail: simkin_andrey@mail.ru

Referred: 13.07.13 Expertise: 18.07.13 Accepted: 23.07.13

This work provides an overview of a rigid flat construction of thermoelectric thermopile. It provides characteristics of samples of thermopiles manufactured using extruded semiconductor legs on bismuth telluride solid solutions. Preferences and disadvantages of construction have been analyzed.

Keywords: thermoelectric battery, thermoelectric generator, semiconductor leg, bismuth telluride.

t

Сведения об авторе: научный сотрудник, аспирант ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Область научных интересов: термоэлектричество, низкотемпературные термоэлектрики, наноструктурирование термоэлектриков, термоэлектрические генераторные и охладительные модули.

Публикации: 3, 4 патента.

Андрей Владимирович Симкин

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Олег Николаевич Иванов

Сведения об авторе: директор ЦКП, ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Область научных интересов: термоэлектричество, структурные фазовые переходы, высокотемпературная сверхпроводимость, сегнетоэлектрические и сегнетоэластические свойства твердых тел.

Публикации: свыше 80.

Введение

Основные термоэлектрические эффекты - Зеебе-ка, Пельтье и Томсона - были открыты в первой половине XIX в. К тому же времени относятся первые попытки изготовления термоэлектрических генераторов (ТЭГ) для получения электрической энергии. Прямое преобразование энергии в ТЭГ основано на использовании термоэлектрических эффектов, проявляющихся в том, что градиент температуры в твердом теле вызывает диффузию носителей тока (в полупроводнике - электронов и дырок) и, наоборот, движение носителей тока сопровождается выделением или поглощением тепла [1].

Термоэлектрические преобразователи энергии обладают уникальными сочетаниями конструктивных и эксплуатационных характеристик, таких как отсутствие движущихся деталей, высокая надежность, возможность эксплуатации в течение нескольких лет без обслуживания или при минимальном периодическом обслуживании, возможность использования теплоты от любых источников тепловой энергии, способность работы независимо от пространственного положения и вида окружающей среды. Энергетические установки небольшой мощности с применением термоэлектрических батарей (ТЭБ) нашли применение не только в космических аппаратах, работающих на большом удалении от солнца, но и в труднодоступных районах земли для питания средств телеметрии, связи, а также подзарядки аккумуляторов в различных автономных системах электропитания.

Панельная конструкция ТЭБ

Основными узлами ТЭГ являются источники тепла, ТЭБ с коммутационными и изоляционными слоями, устройство для съема тепла (холодильник) и несущая конструкция, обеспечивающая необходимую прочность всего генератора и надежность его работы.

Широко известны различные конструкции ТЭБ, основными из которых являются: плоская (панельная), радиально-кольцевая, шаровая [1, 2]. Вне зависимости от типа конструкции ТЭБ, к ним неизменно

предъявляется ряд основных требований. ТЭБ должны: быть компактными, аккумулировать по возможности большую часть подведенного к ним тепла, обладать максимально возможным КПД, обладать необходимой механической прочностью и химической стойкостью в условиях большого градиента температур в течение максимально длительного времени, обладать технологичностью изготовления.

Наиболее распространен вид ТЭБ, который можно условно назвать жестким. Это ТЭБ плоской конструкции (рис. 1), представляющая собой параллелепипед, составленный из двух разнородных полупроводниковых ветвей п- и р- типов проводимости, разделенных изоляционной прокладкой. Полупроводниковые ветви, образующие термоэлементы, соединены по горячей и холодной стороне коммутационными шинами. Коммутационные шины служат также для соединения термоэлементов в ТЭБ. Конструкция включает в себя электрическую изоляцию горячей и холодной сторон батареи, которая, как правило, выполняется в виде тонких теплопроводя-щих пластин из А1203 или АШ.

Рис. 1. Схематическое изображение батареи ТГБ-П-НТ в разрезе; увеличенный сегмент - термоэлемент: 1 - ветвь

л-типа проводимости; 2 - ветвь р-типа проводимости; 3 -стеклотекстолитовая кассета; 4 - коммутационные шины; 5 - барьерное покрытие; 6 - керамические теплопереходы;

7 - изоляционное покрытие; 8 - электрический контакт;

9 - электрический провод Fig. 1. Schematic representation of the thermopile TGB-P-LT in cut; a zoomed segment - thermoelement: 1 - leg of л-type conductivity; 2 - leg of p-type conductivity; 3 - glass fiber laminate cassette; 4 - switching buses; 5 - barrier layer; 6 - ceramic plates 7 - insulation coating; 8 - electric contact;

9 - electric conductor

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Поскольку такая ТЭБ является монолитной конструкцией от источника тепла до холодильника, то она и была названа жесткой [2].

Плоская конструкция, учитывая ее многочисленные положительные стороны - одна из основных в термогенераторостроении. К преимуществам данной конструкции следует отнести идеальное использование поверхности нагрева за счет плотного ее заполнения термоэлементами. Даже в случае разнесенных термоэлементов, коэффициент заполнения сечения батареи термоэлектрическим материалом не снижается. Наиболее удобна эта схема при создании генераторов большой мощности, так как она позволяет создавать компоновку большого числа плоских термобатарей с минимальными тепловыми и электрическими потерями всего устройства [2].

К недостаткам панельной схемы надо отнести: недостаточно высокие коэффициенты теплопередачи от источника тепла к термобатарее и от последней к холодильнику; трудность создания теплового контакта между материалами теплопроводов и изоляцией, особенно если площадь нагрева термобатареи велика и значительно число слоев материалов, отличающихся друг от друга по своим термическим, электрическим, механическим и прочим свойствам [2].

b

Рис. 2. Фотография ТЭБ после коммутации ветвей (а), схематическое изображение ТЭБ без коммутации (b): 1 - ветвь л-типа проводимости; 2 - ветвь р-типа проводимости; 3 -стеклотекстолитовая кассета; 4 - коммутационные

шины; 5 -электрический контакт Fig. 2. Photo of thermopile after switching legs (a), schematic image of thermopile without switching (b): 1 - leg of л-type conductivity; 2 - leg of p-type conductivity; 3 - glass fiber laminate cassette; 4 - switching buses; 5 - electric conductor

Авторами статьи был усовершенствован метод изготовления ТЭБ плоской конструкции, прототипом которой явилась ТЭБ 7.5/2.5, представленная в [3].

Целью представленной работы является обзор особенностей и характеристик, разработанных и изготовленных образцов термоэлектрической генераторной батареи (рис. 1 и 2), получившей наименование ТГБ-П-НТ-6.

Конструктивно ТГБ-П-НТ-6 состоит из:

- расположенных в шахматном порядке термоэлектрических полупроводниковых ветвей р- и п-типов проводимости;

- стеклотекстолитовой кассеты, выполняющей роль несущего каркаса батареи и изолятора термоэлектрических элементов;

- коммутационных шин, электрически соединяющих соответствующие термоэлектрические элементы в последовательную электрическую цепь;

- электродов выходных шин, имеющих контакты для подключения выводных проводников.

В данной конструкции изоляция термоэлектрических элементов выполнена в виде арматурного решетчатого каркаса. При этом каждая полупроводниковая ветвь п- и р- типа размещена в соответствующей объемной матричной ячейке.

Выбору материала ветвей была посвящена работа [4]. Исследовались образцы полупроводниковых ветвей из низкотемпературного термоэлектрического материала - теллурида висмута, в частности из твердых растворов В12(Те, 8е)3 п-типа проводимости и (Ш, 8Ъ)2Те3 р-типа проводимости. По результатам [4], для изготовления ТЭБ повышенной надежности наиболее подходящими по механическим свойствам является материал, изготовленный методом экструзии. Ветви формы параллелепипеда вырезаются из экструдированных стержней квадратного сечения. Электроэрозионный метод резки позволяет получать необходимое качество контактных поверхностей ветвей [5, 6].

Термоэлектрические характеристики материала ветвей

В настоящее время известно большое количество материалов, обладающих термоэлектрическими свойствами. Однако для практического использования в ТЭГ могут быть пригодны термоэлектрические материалы, способные преобразовывать тепло в электричество с КПД выше 0,1% при разности температур между горячим и холодным спаями термоэлементов порядка 450-600 К [7].

Коэффициент полезного действия термоэлектрического материала зависит в основном от его физических характеристик, таких как коэффициент термоЭДС, электропроводность и теплопроводность. Физические характеристики, как правило, являются функциями концентрации носителей и температуры. На рис. 3 показана температурная зависимость термоЭДС а, на рис. 4 - электропро-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

водности о и на рис. 5 - теплопроводности %. Линии, проведенные на графиках рис. 3-5, соответствуют аппроксимирующим кривым полиномов второй степени, уравнения которых использовались при расчете характеристик проектируемых ТЭБ методом средних параметров [1, 2, 7].

Рис. 3. Температурные зависимости коэффициента термоЭДС а термоэлектрических материалов на основе Bi2Te3 л- (1) и р-типа (2) проводимости, полученных методом экструзии Fig. 3. Temperature dependences of thermoelectric coefficient а thermoelectric materials based on Bi2Te3 л- (1) and p-type (2) conductivity obtained by extrusion

Рис. 4. Температурные зависимости электропроводности а

термоэлектрических материалов на основе Bi2Te3 л- (1) и р- типа (2) проводимости, полученных методом экструзии

Fig. 4. Temperature dependences of conductivity а thermoelectric materials based on Bi2Te3 л- (1) and p-type (2) conductivity obtained by extrusion

В диапазоне температур от 300 до 523 К наблюдается стабильная тенденция к снижению электропроводности с температурой (рис. 4) при одновременном возрастании термоЭДС (рис. 3).

Рис. 5. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности х термоэлектрических материалов на основе Bi2Te3 л- (1) и р-типа (2) проводимости, полученных методом экструзии Fig. 5. Temperature dependences of thermal conductivity coefficient х thermoelectric materials based on Bi2Te3 л- (1) and p-type (2) conductivity obtained by extrusion

В этом интервале температур концентрация основных носителей заряда практически не меняется. Однако подвижность и ее снижение с температурой обуславливают падение электропроводности, что характерно для интерметаллических материалов. Стабилизация электропроводности в области 500 К свидетельствует о снятии вырождения с возможным ростом парциального вклада в эффект электропереноса неосновных носителей заряда. Об этом говорит также тенденция снижения термоЭДС в этой температурной области [8].

Теплопроводность использованных термоэлектрических материалов с ростом температуры после 250 К изменяется незначительно до области собственной проводимости. Часть электронной теплопроводности в области примесной проводимости составляет 30-40% от общей теплопроводности и незначительно изменяется в интервале температур 200500 К. Выше 350 К (рис. 5) наблюдается увеличение теплопроводности, связанное с ростом биполярного теплопереноса [8-10].

Характеристики изготовленных ТЭБ

ЭДС батареи является одной из основных характеристик батареи, ее рассчитывают по формуле

E = (Тг - Тк)а с

(1)

где ТГ, ТХ - температуры по горячей и холодной сторонам ТЭБ соответственно; аср - средний коэффициент термоЭДС:

аср =

а p + «n

(2)

где ap, an - среднеинтегральные значения соответственно:

2

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

а = -

Т - Т

1 Г 1 Х ТХ

J Г

J ai(T)dT ; а;

Т - Т

Г -1 Х Т,

jr а2(Т)dT,(3)

где а1(Т) и а2(Т) - функции коэффициента термоЭДС от температуры (рис. 3) [1, 2, 7].

На рис. 6 приведены измеренные в результате экспериментов значения ЭДС изготовленных батарей в зависимости от изменения температуры на горячей и холодной сторонах.

В таблице приведены усредненные значения технических характеристик изготовленных образцов в сравнении с прототипом ТЭБ 7.5/2.5 [3].

Рис. 6. Зависимость ЭДС батарей от температуры ТГ по горячей стороне и ТХ по холодной стороне: 1 - ТХ = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - ТХ = 343 К; 4 - ТХ = 363 К Fig. 6. Dependence of thermopile EMF on temperature ТГ on the hot side and ТХ on the cold side: 1 - Тх = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - ТХ = 343 К; 4 - ТХ = 363 К

Технические характеристики образцов ТЭБ в сравнении с прототипом Technical characteristics of thermopile samples in comparison with prototype

1

1

Параметр ТЭБ 7.5/2.5 по данным [3] ТГБ-П-НТ-6 ветви экструзия

Размеры ТЭБ, мм 67x78,5x8,5 57x78x9

Количество термопар 83 68

Размеры ветвей, мм 5x5x6 5x5x6

Электрическая мощность, Вт 7,5 8,0

Напряжение при оптимальной нагрузке, В 2,5 2,0

Рабочая температура горячей стороны, К 578 573

Рабочая температура холодной стороны, К 373 373

КПД в режиме максимального КПД при рабочем перепаде температур 200 К, % - > 3

Внутреннее сопротивление, Ом < 0,35 0,26

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

W = E2 R/ ( R + r )2

(4)

Рис. 8. Зависимость вычисленного внутреннего сопротивления ТЭБ от температуры ТГ по горячей стороне и ТХ по холодной стороне: 1 - ТХ = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - Тх = 343 К; 4 - Тх = 363 К Fig. 8. The dependence of the calculated internal resistance of the thermopile on temperature ТГ of hot side and ТХ of cold side: 1 - Тх = 303 К; 2 - Тх = 323 К; 3 - Тх = 343 К; 4 - Тх = 363 К

Отношение сопротивления полезной нагрузки к внутреннему сопротивлению ТЭБ при заданной разности температур на сторонах батареи обозначают М.

На рис. 9 приведена зависимость мощности ТЭБ от М.

Рис. 7. Зависимость мощности ТЭБ, отдаваемой полезной

нагрузке, от тока в цепи нагрузки - 1; ВАХ - 2 Fig. 7. Dependence of thermopile power donated useful load on the current in the load circuit - 1; voltage-current characteristic - 2

На рис. 7 приведена типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) изготовленных образцов ТЭБ при рабочей разности температур на теплопереходах 200 К.

Главная характеристика, интересующая в первую очередь конечных потребителей ТЭБ и конструкторов, проектирующих ТЭГ - мощность, отдаваемая полезной нагрузке, зависит от ЭДС (рис. 6) и внутреннего сопротивления ТЭБ (рис. 8) [1, 2, 7]:

Рис. 9. Зависимость мощности ТЭБ от коэффициента М

при ТХ = 303 К по холодной стороне, а по горячей: 1 - Тг = 353 К; 2 - Тг = 433 К; 3 - Тг = 513 К; 4 - Тг = 593 К Fig. 9. Dependence of thermopile power on coefficient M at Тх = 303 K on cold side, and on the hot: 1 - Тг = 353 К; 2 - Тг = 433 К; 3 - Тг = 513 К; 4 - Тг = 593 К

Максимальная мощность ТЭБ, отдаваемая полезной нагрузке, может достигать

- е -

Ж

W = E 2/4r

(5)

где Я - электрическое сопротивление полезной нагрузки; г - внутреннее сопротивление самой ТЭБ при заданной разности температур на сторонах батареи (рис. 8), представляющее собой сумму сопротивлений полупроводниковых ветвей, барьерных слоев, сопротивления коммутации, контактов и выводов.

при М = 1, т.е. когда Я = г - сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению ТЭБ.

На рис. 10 приведены температурные зависимости мощности ТЭБ, измеренные в режиме максимальной мощности [1, 2, 7], т. е. при М = 1.

Максимального КПД батарея достигает при [1, 2, 7]:

М = 71 + z (Тт + Т х )/2 где z - добротность ТЭБ [1, 11]:

z = -

а2 а

ср ср

X с

1(1 + ex)( + mpy

(6)

(7)

П =

Т - Т

1 Г Х

М -1

Тг М + (Тх/Тг )•

(8)

3 с I

3 CL

где оср, %ср - аналогично (2) и (3) средние значения между среднеинтегральными электропроводностью и теплопроводностью соответственно; ех - коэффициент, учитывающий утечки тепла по защитным покрытиям и элементам конструкции; тр - коэффициент, учитывающий электрические сопротивления переходных слоев, коммутационных шин и контактов [1].

Максимальный теоретически достижимый КПД, который может обеспечить термоэлемент, рассчитывается по [1, 2, 7, 11]:

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Рис. 10. Температурные зависимости мощности ТЭБ, измеренные в режиме максимальной мощности, от температуры ТГ по горячей стороне и ТХ по холодной стороне: 1 - ТХ = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - ТХ = 343 К; 4 - ТХ = 363 К Fig. 10. Temperature dependences of the thermopile power measured in maximum power mode on temperature ТГ of the hot side and ТХ of the cold side: 1 - ТХ = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - ТХ = 343 К; 4 - ТХ = 363 К

Рис. 11. Температурные зависимости теоретически рассчитанного КПД (режим максимального КПД) исходя из свойств термоэлектрических материалов на основе Bi2Te3 , полученных методом экструзии от температуры ТГ

по горячей стороне и ТХ по холодной стороне: 1 - ТХ = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - ТХ = 343 К; 4 - ТХ = 363 К Fig. 11. Temperature dependences of the theoretically calculated efficiency (in maximum performance mode) proceeding from properties of Bi2Te3 based materials obtained by extrusion on temperature ТГ of hot side and ТХ of cold side: 1 - ТХ = 303 К;

2 - Тх = 323 К; 3 - Тх = 343 К; 4 - Тх = 363 К

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Вычисленные по (8) значения, исходя из свойств материалов ветвей (рис. 3-5), сведены в температурные зависимости, изображенные на рис. 11.

На измерительном стенде, имитирующем конструкцию ТЭГ с ТГ = const и ТХ = const, были измерены значения коэффициента полезного действия ТЭБ исходя из определения КПД:

П = ■

Qr

(9)

где Штгх - мощность ТЭБ, отдаваемая полезной нагрузке в режиме максимальной мощности (М = 1); QГ - мощность нагревателя, создающего на горячей стороне ТЭБ температуру ТГ.

Вычисленные по (9) значения, исходя из измеренных значений ^тах и QГ, сведены в зависимости, изображенные на рис. 12.

Разница между КПД в режиме максимальной мощности и режимом максимального КПД невелика [1] и увеличивается с ростом ТГ и ТХ, но не превышает 1,3%.

Рис. 12. Температурные зависимости КПД батарей, измеренные в режиме максимальной мощности (сплошная линия) от температуры ТГ по горячей стороне и ТХ по холодной: 1 - ТХ = 303 К; 2 - ТХ = 323 К; 3 - ТХ = 343 К; 4 - ТХ = 363 К.

Пунктирной линией показаны зависимости в режиме максимального КПД Fig. 12. Temperature dependences of the measured efficiency in maximum power mode on temperature ТГ of the hot side and Тх of the cold side: 1 - Тх = 303 К; 2 - Тх = 323 К; 3 - Тх = 343 К; 4 - Тх = 363 К. Dotted line shows dependencies in maximum performance mode

Анализ полученных результатов

Значительное отличие максимального теоретического КПД (рис. 11) от полученного при испытаниях на стенде (рис. 12), имитирующем работу ТЭГ, обусловлено следующими потерями:

- утечки тепла от электрического нагревателя испытательного стенда, которые не проходят через ТЭБ и отводятся в окружающую среду или передаются непосредственно холодному радиатору [12], за счет конструктивного несовершенства стенда. С ростом температуры горячего спая повышается КПД термобатареи, но возрастают потери тепла с горячего

спая, т.е. КПД нагревателя падает [2]. Анализ показывает, что именно этот фактор обуславливает основную потерю КПД п батарей;

- утечки тепла по решетчатому каркасу и герметизирующему покрытию по периметру, а так же наличие паразитных тепловых сопротивлений на под-коммутационных слоях, коммутационных шинах, керамических теплопереходах и пр. Расчеты показывают, что коэффициент ех, учитывающий в (7) эти потери, может достигать ех ~ 0,07;

- падение напряжения за счет наличия электрического сопротивления барьерных слоев, коммутаци-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

онных шин и контактов, а также выделения на этих элементах конструкции Джоулева тепла. Коэффициент тр, учитывающий в (7) эти потери, может достигать тр ~ 0,1;

- потери, связанные с действием эффекта Томсо-на. Данный эффект становится значительным при больших значениях разности температур между спаями термоэлементов. Формулы (6)-(8) не учитывают эффект Томсона [1, 2, 7].

Рост мощности и КПД определяется ростом перепада температур на термоэлементах. Конструктивно его можно увеличить применением полупроводниковых материалов с низкой теплопроводностью при относительно высокой электропроводности [13-17]. Так же уменьшения теплопроводности ТЭБ достигают увеличением высоты ветвей термоэлементов. Естественно, что рост температуры горячей стороны ТЭБ и высоты термоэлементов не может быть бесконечным, так как существуют следующие ограничения:

- по температуре горячего спая (для каждого термоэлектрического материала существует предельная рабочая температура);

- по сроку службы. Существует связь между рабочей температурой и сроком службы ТЭБ, поэтому максимальная рабочая температура, а, следовательно, и высота термоэлемента, выбираются из необходимого срока службы;

- по весу. С ростом высоты растет вес ТЭБ, который в некоторых случаях лимитируется;

- по свойствам термоэлектрических материалов. Большинство термоэлектрических материалов имеют добротность, падающую при больших температурах.

Выводы

Материалы на основе теллурида висмута Б12Те3 обладают наилучшими термоэлектрическими свойствами в интервале температур 200-600 К. Однако термоэлектрическая добротность таких материалов достаточно мала (7.Т ~ 1), что обуславливает низкое значение коэффициента полезного действия термоэлектрических устройств на основе теллурида висмута, и существенно ограничивает их масштабное коммерческое применение.

Результаты исследований нано- и гетероструктур [12-17] дают возможность прогнозировать увеличение КПД термоэлектрических материалов, в частности на основе Б12Те3, почти вдвое [12].

Подавляющее большинство экспериментальных и промышленных ТЭГ изготовлены с применением традиционных однокаскадных ТЭБ плоской жесткой конструкции [12]. Представленный вид ТЭБ очень удобен в изготовлении, технология их сборки проста и поддается механизации. Наиболее удобен этот вид конструкции при создании генераторов большой мощности, так как позволяет создать компоновку большого числа плоских термобатарей с минимальными тепловыми и электрическими потерями всего ТЭГ.

Для плоской жесткой конструкции ТЭБ неизбежны потери, связанные с наличием тепловых сопротивлений коммутационных слоев, изоляционных слоев, а также других конструктивно необходимых слоев. Причем потери разности температур на спаях термоэлементов, связанные с наличием паразитных тепловых сопротивлений, растут пропорционально росту теплового потока подводимого к ТЭБ.

Утечки тепла по решетчатому каркасу и герметизирующему покрытию по периметру можно минимизировать применением новых композиционных материалов с более низкими значениями теплопроводности.

Сопротивление коммутации ветвей также возможно уменьшить, минимизировав толщину нарушенных слоев коммутационных поверхностей ветвей. Толщина барьерных слоев должна быть оптимальной для выполнения функций по предотвращению диффузии и обеспечению адгезии коммутации, но минимальной для уменьшения вклада в электрическое сопротивление. Коммутационные и барьерные слои должны быть выполнены из материалов с высокой электропроводностью, а технология их нанесения должна обеспечить отсутствие окисления.

КПД термоэлемента п не зависит непосредственно от геометрических размеров ветвей и кроме температур определяется величиной г - добротностью материалов ветвей. Но при постоянной тепловой мощности источника тепла и температуры холодильника удельная мощность и КПД термогенератора увеличиваются с ростом высоты термоэлемента, т.к. при этом разность температур и ЭДС растут пропорционально квадрату высоты термоэлемента, а электрическое сопротивление при этом возрастает пропорционально высоте ветви [2].

Помимо оптимизации геометрических размеров ветвей повысить КПД также позволяет использование рекуперации тепла, отведенного от холодной стороны ТЭБ, использование каскадных термобатарей и ТЭБ с сегментированными ветвями [1, 2, 7].

Конструкция ТЭГ в целом должна иметь минимальные тепловые потери при передаче тепла к рабочему телу, т.е. к полупроводниковому материалу ТЭБ, и при съеме тепла с него. Необходимо также использовать секционные схемы ТЭГ, где в каждой секции - свой рабочий диапазон температур и свои ТЭБ, оптимизированные для этого диапазона температур.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, ГК № 8095р/12669 от 18.06.2010, финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, с использованием приборной базы Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» Белгородского государственного национального исследовательского университета.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Список литературы

1. Марченко О.В., Кашин А.П., Лозбин В.И., Максимов М.З. Методы расчета термоэлектрических генераторов. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995.

2. Охотин А.С., Ефремов А.А., Охотин В.С., Пушкарский А. С. Термоэлектрические генераторы. М.: Атомиздат, 1971.

3. Pustovalov A.A., Gusev V.V., Nebera L.P. CATEG based power sources for autonomous automated systems and technical facilities controlling the state of gas mains and the work of gas wells // Journal of Thermoelectricity. 1998. № 4. P. 65-71.

4. Симкин А.В., Бирюков А.В., Репников Н.И., Иванов О. Н. Повышение надежности термоэлектрических генераторных батарей собранных с применением коммутации методом плазменно-дугового напыления // Доклады XIII Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение». 2012. С. 134-138.

5. Бирюков А.В., Репников Н.И., Иванов О.Н., Симкин А. В. Преимущества использования электроэрозионной резки и газоплазменного напыления при коммутации термоэлементов на основе экструдиро-ванного теллурида висмута // Термоэлектричество. 2011. № 3. С. 36-42.

6. Симкин А.В. Бирюков А.В., Репников Н.И., Иванов О.Н. Влияние состояния контактной поверхности на адгезионную прочность коммутационных слоев термоэлементов на основе экструдированного теллурида висмута // Термоэлектричество. 2012. № 2. С. 13-19.

7. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974.

8. Штерн Ю.И. Исследование электрофизических свойств и определение механизмов тепло- и электропроводности в термоэлектрических материалах на основе Bi2Te3 // Материалы электронной техники. 2008. № 2. С. 73-77.

9. Охотин А.С., Пушкарский А.С., Боровикова Р.П., Симонов В.А. Методы измерения характеристик термоэлектрических материалов и преобразователей. М.: Наука, 1974.

10. Лукишер Э.М., Вайнер А.Л., Сомкин М.Н., Водолагин В. Ю. Термоэлектрические охладители. М.: Радио и связь, 1983.

11. Бурштейн А.И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1962.

12. Михайловский В.Я. Физические модели термогенераторов на органическом топливе. Основные пути повышения их эффективности и расширения практического применения // Термоэлектричество. 2005. № 2. С. 7-44.

13. 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.

14. Булат Л.П., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние рассеяния на границах на теплопроводность нанострукту-рированного полупроводникового материала на основе твердого раствора BixSb2-xTe3 // ФТТ. 2010. Т. | 52б. № 9. С. 1712-1716.

15. 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.

16. Fan X.A., Yang J.Y., Xie Z., Li K., Zhu W.,

d>

Duan X.K., Xiao C.J., Zhang Q.Q. Bi2Te3 hexagonal nanoplates and thermoelectric properties of n-type Bi2Te3 nanocomposites // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2007. Vol. 40. P. 5975-5979.

17. Harman T.C., Walsh M.P., Laforge B.E., Turner G.W. Nanostructured thermoelectric materials // J. Electron. Materials. 2005. Vol. 34, № 5. P. L19-L22.

to с Й

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013