2. Физические основы выбора термоэлектрических материалов.

2. Термоэлектрические генераторы, классификация термоэлектрических генераторов.

Термоэлектрические генераторы. К приборам, работающим на эффекте Зеебека, относятся термоэлектрические генераторы и термоэлектрические датчики температуры - термопары.

В настоящее время основным видом потребляемой энергии является электрическая энергия. Наряду с традиционной для энергетики проблемой поиска новых источников энергии существует проблема создания перспективных способов преобразования различных видов энергии в электрическую. Причем предпочтение, естественно, имеют прямые способы преобразования энергии, не использующие сложного оборудования, - фотоэлектрический и термоэлектрический - основные способы получения электрической энергии в так называемой "малой энергетике" (от нескольких ватт до сотен киловатт).

Преимущества термоэлектрического способа получения электрической энергии с помощью термоэлектрических генераторов (ТЭГ) заключаются в следующем. ТЭГ являются автономными компактными надежными, не имеющими движущихся частей, бесшумными источниками энергии. Кроме того, они просты в эксплуатации и долговечны.

Под термином "термоэлектрический генератор" следует понимать автономный источник постоянного напряжения, в состав которого входят: источник тепловой энергии, термоэлектрический блок, система сброса отработанного тепла (теплообменник), токоподводящие цепи.

Если классифицировать ТЭГ по применяемым источникам тепловой энергии, то можно выделить следующие их варианты:

1) использующие природные источники тепловой энергии (газ, нефть, уголь); области применения: энергоснабжение отдельных потребителей, питание электронных приборов и сигнальных устройств, коррозионная (катодная) защита трубопроводов, управление системами отопления;

2) использующие ядерные источники тепловой энергии; области применения: бортовое электроснабжение межпланетных космических аппаратов;

3) использующие солнечное излучение в космосе; области применения: электроснабжение искусственных спутников Земли и космических станций;

4) использующие солнечную энергию на поверхности Земли; области применения: энергоснабжение оросительных систем, производство водорода;

5) биологические, использующие тепло человеческого тела; области применения: кардиостимуляторы, сенсоры индивидуального пользования.

2. Конструкция термоэлемента и термоэлектрического модуля Пельтье.

Рис.4.1 - Конструкция Ge - Si термоэлемента

Использование металлических контактов при таких температурах нецелесообразно, так как они окисляются, к тому же металл активно диффундирует в материал термоэлемента, отрицательно влияя на его свойства. В этом случае в качестве материала для коммутационных шин на горячем спае применяют сильнолегированный кремний. В качестве "припоя" могут быть использованы легированные твердые растворы Ge_0,7Si_0,3, температура ликвидуса которых ниже температуры солидуса материала ветви. Шины на холодном спае изготавливаются из металла, например серебра. Контакт с ветвями термоэлемента осуществляется через антидиффузионный слой легированного вольфрама, имеющего термический коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР Ge - Si. Такие термоэлементы имеют коэффициент полезного действия порядка 7% и работают при температурах до 1000 С десятки лет.

Как показывают исследования, изменения электрофизических свойств твердых растворов Ge - Si во времени незначительно снижают эффективность термоэлементов. В связи с этим они представляют несомненный интерес для длительного использования в межпланетных космических аппаратах. Для увеличения мощности в ТЭГ используют термоэлектрические модули, образованные электрически последовательным соединением термоэлементов. С целью увеличения перепада рабочих температур и соответственно КПД в ТЭГ используют каскадные термобатареи. Такая термобатарея представляет собой набор сопряженных термоэлектрических модулей, расположенных таким образом, что горячие спаи модулей верхнего каскада термобатареи крепятся к холодным спаям модулей нижнего ее каскада.

На рис.1.4 показана схема полупроводникового термоэлемента Пельтье. Если через этот термоэлемент пропустить ток в указанном направлении, то на спае 1 (холодном) будет поглощаться тепло Пельтье , а на спае 2 (горячем) - выделяться тепло Пельтье . Температуры холодного и горячего спаев обозначены соответственно Т_х и Т_г.

Рис.1.4 - Схема полупроводникового термоэлемента