Лекция на тему «Исследование и анализ современного состояния развития источников энергии на основе термоэлектричества»

Лекция на тему «Исследование и анализ современного состояния развития источников энергии на основе термоэлектричества»

К ним относят три эффекта – Зеебека, Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебека, открытый в 1821 г., состоит в получении постоянного электрического тока в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при этом один из контактов нагревают, а другой поддерживают при постоянной температуре (рис. 1). Фактически в такой цепи мы получаем прямое преобразование тепловой энергии в электричество, т.е. имеем электрогенератор, или простейшую электростанцию без всяких движущихся частей.

Второй эффект, открытый Пельтье в 1834 г., состоит в охлаждении одного из контактов в подобной цепи и нагреве другого, если по цепи пропускают постоянный электрический ток (рис. 2).

Это фактически получение искусственного холода с использованием электрической энергии, т.е. работает холодильная машина опять же без всяких движущихся частей. То, что один контакт нагревался, не вызывало удивления у современников – к тому времени эффект Джоуля был хорошо известен, но охлаждение спая производило шокирующее впечатление. Удивительный опыт выполнил в 1838 г. в Санкт- Петербургском университете профессор Э.Х. Ленц: он впервые заморозил каплю воды на стыке двух металлов – висмута и сурьмы, пропуская через контакт ток в 100 А. Опыт казался чудом. Но и в более поздние времена охлаждение по методу Пельтье вызывало немалое удивление. Профессор Е.К.Иорданишвили, бывший аспирант академика А.Ф.Иоффе, рассказал, что как-то в конце 1970-х годов прошлого века тогдашний президент Академии наук СССР известный физик-ядерщик А.П.Александров с группой академиков посетил термоэлек трическую лабораторию в Ленинградском физико-техническом институте. Академик А.Ф.Иоффе продемонстрировал гостям эффект Пельтье. Он фактически показал гостям опыт Ленца, но заморозил не каплю, а целое ведро воды за несколько минут пропуская по цепи гигантский электрический ток. Удивлению А.П.Александрова и его свиты не было предела. Еще один термоэлектрический эффект открыл в 1856 г. всемирно известный британский ученый-физик профессор Уильям Томсон. Эффект заключается в том, что в объеме однородного, неравномерно нагретого проводника с постоянным током, кроме теплоты Джоуля-Ленца, выделяется или поглощается дополнительная теплота Томсона в зависимости от направления тока. Профессор Томсон (он же – лорд Кельвин) разработал термодинамическую теорию термоэлектричества и установил два закона (соотношения Томсона). Отметим, что в мае 2017 г. в г. Белфаст (Северная Ирландия) на родине Уильяма Томсона состоится XVII Международный форум по термоэлектричеству, посвященный памяти Томсона–Кельвина. В XIX и начале XX века термоэлектрические явления считались лишь интересными научными казусами. Эти открытия изучались в университетах в курсах физики с проведением эффектных демонстраций. Тем не менее все это оставалось достаточно экзотическим и не находило достойного применения.

Наноструктуры

Объемные нанокристаллические материалы. Экспериментальные и теоретические

исследования по созданию эффективных нанокристаллических термоэлектриков выполняют

при поддержке Российского Федерального агентства по науке и инновациям, контракт

(№ 2008-03-1.3-25-02), пять российских организаций: Государственный научный центр ОАО

"Гиредмет", Москва; Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных

материалов, Троицк Московской обл.; Институт химических проблем микроэлектроники,

Москва; Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых

технологий и Государственный технологический университет МИСИС, Москва [6-9].

Для создания наноструктурных образцов на основе кристаллических материалов

Bi0.5Sb1.5Te3 p-типа использовалась следующая технологическая цепочка [6-9]: 1) измельчение и

очистка исходных кристаллических материалов; 2) механо-активационная обработка

измельченных материалов в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице; 3)

консолидация активированных порошковых смесей под давлением для создания объемного

наноструктурного термоэлектрика.

Были исследованы структура, механические и термоэлектрические свойства полученных

материалов. Безразмерная термоэлектрическая добротность ZT для p-BixSb2-xTe3 при T = (300 –

340) К составила 1.0 – 1.1. Рассмотренный метод изготовления объемных наноструктури-

рованных термоэлектриков горячим прессованием представляет собой достаточно дешевый

способ получения материалов с улучшенной термоэлектрической добротностью. При этом

механические свойства полученных термоэлектриков примерно в 3 раза превышают свойства

материалов, полученных зонной плавкой.

Нанопроволоки. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН под руководством М.В. Ведерникова

ведутся экспериментальные и теоретические исследования массивов нанопроволок,

изготовленных заполнением под высоким давлением пор хризотил-асбеста жидким металлом

или полупроводником. При этом получается массив нанопроволок диаметром около 5 нм и

длиной около 1 мм. На полученных проволоках исследуются термоЭДС и вольтамперные

характеристики в широком интервале температур. Интерес к термоэлектрическим свойствам

нанопроволок был вызван работами Хикса и Дрессельхауз [10], которые проанализировали

свойства наноструктур с точки зрения квантовых эффектов и предсказали значительное

увеличение термоэлектрической эффективности при уменьшении характерных размеров таких

структур. В то же время существует теория транспортных свойств в одномерных проводниках,

называемая теорией Латтинжеровой жидкости [11]. Если обе теории предсказывают рост

термоЭДС при повышении температуры в области примесной проводимости, то в отношении

электропроводности предсказания прямо противоположны: теория Ферми-газа прогнозирует

падение электропроводности с возрастанием температуры, а теория Латтинжеровой жидкости –

её рост.

В ФТИ были получены массивы квантовых проволок различного состава (Bi, InSb, и др.).

Все они показали соответствие температурных зависимостей электропроводности и термоЭДС

теории Латтинжеровой жидкости [12-14].

Пленки

Пленки слоистых термоэлектриков (Bi,Sb)2(Te,Se)3. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе под

руководством Ю.А. Бойкова ведутся исследования пленочных термоэлектриков. Можно

выделить два основных направления этой работы, связанные с двумя методами осаждения

пленок. Это – создание совершенных монокристаллических пленок и создание пленок с микро-

и наноразмерными зернами. Два основных метода, обеспечивающих решение данных задач, –

это методы горячей стенки и лазерного испарения.

В методе горячей стенки пары исходного материала, проходя через сепараторы,

достигают подложки, где и конденсируются при достаточно высокой температуре. Высокая

температура подложки обеспечивает высокую подвижность атомов, что дает возможность

выращивать монокристаллические структуры высокого качества. Ограниченный замкнутый

объем ростовой камеры дает возможность обеспечивать хорошее соответствие состава пленки

и исходной шихты. Метод горячей стенки дает возможность получить высококачественные

монокристаллические пленки с минимальным количеством дефектов. В методе лазерного

напыления импульс излучения высокой энергии приводит к выбросу кластеров исходного

вещества, которые осаждаются на подложке, образуя множество центров кристаллизации, что

приводит к росту поликристаллической пленки с очень малым размером зерна, а это

перспективно для создания пленочных наноструктур.

Физика термоэлектриков

Термоэлектрические эффекты в водных растворах. Под руководством В.М. Грабова в

РГПУ им. А.И. Герцена ведутся исследования термоЭДС водных растворов различных солей,

щелочей, электролитов. Для исследования термоЭДС применялась установка, внешний вид и

схема которой приведены на рис. 2.14. Исследование термоЭДС растворов ионных соединений

привело к следующим выводам [18]:

• в разбавленных растворах ионных соединений величина термоЭДС при температурах

(20 – 60)°С достигает значений (0.6-1.8) мВ/К и слабо зависит от концентрации

растворов и температуры;

• знак термоЭДС определяется ионами с наибольшей подвижностью;

• при протекании электрического тока в системе происходят термоэлектро-химические

реакции.

Компания КРИОТЕРМ

Является ведущей российской научно-производственной фирмой по разработке и

изготовлению термоэлектрических модулей и сборок самого различного назначения.

В каталоги компании КРИОТЕРМ включено более 250 различных типов

термоэлектрических модулей, сгруппированных по различным областям применения.

К ним относятся модули для использования в промышленных системах охлаждения и

температурного контроля, таких как производство полупроводниковых интегральных

микросхем, лазерная техника, медицинская техника, транспорт, пищевая промышленность и

специальная техника. Модули для радиоэлектроники предназначены для СВЧ техники,

охлаждения входных каскадов высокочувствительных приемников и усилителей,

термостабилизации параметрических усилителей и систем оптоэлектроники, контактного

охлаждения полупроводниковых лазеров, ИК датчиков, ПЗС-матриц. Сюда можно отнести и

миникондиционеры для фотоумножителей и специальной вычислительной техники,

охладители для микропроцессоров. Модули для бытовых охлаждающих устройств

используются в переносных автомобильных холодильниках и пикник-боксах, охладителях

питьевой воды и тонизирующих напитков, термоэлектрических холодильниках и минибарах,

винных шкафах и охладителях пива, минихолодильниках для косметики. Специальные модули

удовлетворяют ряд специфических требований, таких как высокий вакуум, большие

механические нагрузки (пиковые ускорения до 1500 g), специальные габариты, высокая

скорость охлаждения и т.п. Эти технологии используются при производстве модулей для

космической и специальной техники, оптоэлектроники и телекоммуникаций, медицины и

научных исследований.

Термоэлектрические сборки подразделяются на сборки типа "воздух-воздух",

"жидкость-жидкость", "жидкость-воздух». Они используются при изготовлении холодильников, воздушных кондиционеров, систем охлаждения электронной аппаратуры и т.п.

Компания КРИОТЕРМ разработала удобную компьютерную программу для оптимизации

выбора термоэлектрических модулей и проектирования охлаждающих систем. Программа

состоит из трех разделов.

• "Графики характеристик". Зависимости характеристик модуля в различных

комбинациях при различных условиях эксплуатации.

• "Выбор модулей». Выбор оптимальных типов и количества модулей системы, задав ее

основные теплофизические и электрические характеристики.

• «Термоэлектрическая система». Построение компьютерной модели системы и анализ ее

работы в зависимости от типа и количества модулей, вариантов их включения,

подаваемого напряжения питания и т.п.

ОАО "Научно-производственное предприятие теплофизического приборостроения

"ОСТЕРМ СПБ"

Производит более 100 типов одно- и многокаскадных охлаждающих термоэлектрических

модулей и разрабатывает любые нестандартные модули с необходимыми техническими

характеристиками.

ОАО "Корпорация НПО "РИФ"

Занимается разработкой и изготовлением широкого диапазона термоэлектрических

изделий – от выращивания полупроводниковых материалов, изготовления охлаждающих

модулей до различных охлаждающих систем. К таким системам можно отнести

термоэлектрические воздухоохладители , которые предназначены для охлаждения

воздуха внутри различных типов электрошкафов, стоек питания автоматики и управления,

стоек с электронным оборудованием, мостовых кранов для горячих металлургических цехов,

пассажирских и грузовых лифтов, кабин транспортных средств. Охладители включают блок

автоматического поддержания и регулировки температуры с цифровой индикацией, который

обеспечивает удобную и легкую настройку режима работы; а также автоматическое

переключение между режимами охлаждения и нагрева. Максимальная разность температур

составляет 30°C, холодопроизводительность одного блока – до 800 Вт (система воздух-воздух)

и – до 3 кВт (жидкость-воздух).

Представляет интерес термоэлектрический кондиционер для кабины машиниста

; он служит для вентиляции, охлаждения, обогрева и очистки воздуха от пыли в

кабинах машинистов локомотивов и других транспортных средств с объемом кабины до 12м3.

Состоит из 2-х блоков охлаждения, блока питания и блока управления. Его

холодопроизводительность – до 4 кВт при использовании двух охлаждающих блоков.

Для вагонов пассажирских поездов разработана система подготовки питьевой воды. Она

предназначена для фильтрации, охлаждения и санитарно-бактерицидной обработки питьевой

воды.

К другим интересным разработкам можно отнести термоэлектрические холодильники

для хранения продуктов питания и напитков в пассажирских вагонах железнодорожного

транспорта; безвентиляторный (бесшумный) термоэлектрический минибар;

термоэлектрический охладитель жидкости для охлаждения различных напитков может

использоваться в быту, барах, ресторанах и пр. Отметим также жилет с термоэлектрическим

блоком для охлаждения/обогрева тела человека, работающего в экстремальных температурных

условиях.

Компания РМТ

Разрабатывает и поставляет широкую номенклатуру термоэлектрических модулей;

разрабатывает охлаждающие конструкции и производит соответствующие

субмодули; приборы для измерения параметров термоэлектрических модулей;

расчетные методы анализа и конструирования термоэлектрических модулей и систем.

Компания «Криотерм»

Генераторные модули, разработанные на предприятии «Криотерм», обеспечивают до

10 Вт электрической мощности с одного модуля при напряжении до 6 В при перепаде

температур ΔT = 100 °С. Очень востребованными оказались энергопечи – дровяные печи,

утилизирующие тепло для автономного электропитания различных устройств, таких как

радиоприемники, DVD-проигрыватели, мобильные телефоны. Они также

обеспечивают подзарядку аккумуляторов, освещение помещений и т.п. «Энергопечь №1»

вырабатывает 11 Вт электроэнергии при напряжении 12 В на нагрузке (0.9 А), а «Энергопечь №2» –23 Вт при 12 В на нагрузке (1.9 А).

Газовый генератор, разработанный фирмой, обеспечивает выходную мощность не менее

15 или 80 Вт при выходном напряжении соответственно 12 или 24 В. Гарантируется

безотказная работа не менее 10 лет.

НПП «БИАПОС»

Совместно с Институтом химических проблем микроэлектроники подобрана лигатура

генераторных термоэлектрических материалов с оптимизацией свойств в диапазоне 20-300 °С.

Совместно с «АДВ-Инжиниринг» организовано производство экструдированных заготовок из

генераторных термоэлектрических материалов Bi2Te3 и термоэлектрических ветвей n- и p-типов

для термоэлектрических модулей. Разработана технология коммутации термоэлектрических

ветвей с использованием многослойного плазменного нанесения высокотемпературных

антидиффузионых и коммутационных материалов.

Разработана технология и организовано мелкосерийное изготовление термо-

электрических генераторных модулей для работы в атмосфере воздуха (без предохранительной

очехловки) до температуры 300 °С.

«БИАПОС» разрабатывает и производит каталитические термоэлектрические генераторы

КАТЭГ разных типов, ведутся работы по повышению надежности и улучшению характеристик

КАТЭГ, а именно: КПД, срока службы, массогабаритных характеристик и пр. Налажено

производство и мелкосерийный выпуск КАТЭГ-90/24 электрической мощностью 90 Вт

«БИАПОС» с участием ведущих предприятий Росатома и других ведомств в середине

1990-х годов выполнил полный цикл работ и изготовил лётные образцы РИТЭГ (шифр

«Ангел») на плутонии-238 в рамках международного проекта «Марс-96».

В настоящее время по заказу отечественных и иностранных фирм на стадии эскизной

проработки завершены расчётно-экспериментальные исследования и показаны пути создания

РИТЭГ космического назначения в диапазоне электрических мощностей от 1 до 100 Вт.

Предприятие «БИАПОС» совместно с НКТ «АДВ-Инжиниринг» организовало

производство и выпуск экструдированных термоэлектрических ветвей заданной геометрии с

целью изготовления термоэлектрических генераторных модулей для КАТЭГ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иоффе А., Стильбанс Л., Иорданишвили Е., Федорович Н. Термоэлектрический холодильник// Холодильная техника. 1956. № 1. С. 62–63. 2. Иорданишвили Е.К. Введение в термоэлектричество. Термоэлектрические эффекты// Термоэлектрическое охлаждение/ под. ред. Л.П.Булата. – СПб: СПбГУНиПТ, 2002. 3. Bulat L.P., Iordanishvily E.K., Pustovalov A.A., Fedorov M.I. Thermoelectricity in Russia: history and modern state// Journal of Thermoelectricity. 2009. No.4. P.7–31. 4. Bulat L.P., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N., Pshenay-Severin D.A. // Journal of Electronic materials. 2016, V. 45. Р. 1648–1653. 5. Goldsmid H. J. Introduction to Thermoelectricity. Second Edition. Springer Series in Materials Science, 2016. – 278 p. 6. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano-Structured Materials. Ed. by D. M. Rowe. CRC Press: New York, London, Tokyo, 2006. – 930 p.

Лекция на тему «Исследование и анализ современного состояния развития источников энергии на основе термоэлектричества»

К ним относят три эффекта – Зеебека, Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебека, открытый в 1821 г., состоит в получении постоянного электрического тока в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при этом один из контактов нагревают, а другой поддерживают при постоянной температуре (рис. 1). Фактически в такой цепи мы получаем прямое преобразование тепловой энергии в электричество, т.е. имеем электрогенератор, или простейшую электростанцию без всяких движущихся частей.

Второй эффект, открытый Пельтье в 1834 г., состоит в охлаждении одного из контактов в подобной цепи и нагреве другого, если по цепи пропускают постоянный электрический ток (рис. 2).

Это фактически получение искусственного холода с использованием электрической энергии, т.е. работает холодильная машина опять же без всяких движущихся частей. То, что один контакт нагревался, не вызывало удивления у современников – к тому времени эффект Джоуля был хорошо известен, но охлаждение спая производило шокирующее впечатление. Удивительный опыт выполнил в 1838 г. в Санкт- Петербургском университете профессор Э.Х. Ленц: он впервые заморозил каплю воды на стыке двух металлов – висмута и сурьмы, пропуская через контакт ток в 100 А. Опыт казался чудом. Но и в более поздние времена охлаждение по методу Пельтье вызывало немалое удивление. Профессор Е.К.Иорданишвили, бывший аспирант академика А.Ф.Иоффе, рассказал, что как-то в конце 1970-х годов прошлого века тогдашний президент Академии наук СССР известный физик-ядерщик А.П.Александров с группой академиков посетил термоэлек трическую лабораторию в Ленинградском физико-техническом институте. Академик А.Ф.Иоффе продемонстрировал гостям эффект Пельтье. Он фактически показал гостям опыт Ленца, но заморозил не каплю, а целое ведро воды за несколько минут пропуская по цепи гигантский электрический ток. Удивлению А.П.Александрова и его свиты не было предела. Еще один термоэлектрический эффект открыл в 1856 г. всемирно известный британский ученый-физик профессор Уильям Томсон. Эффект заключается в том, что в объеме однородного, неравномерно нагретого проводника с постоянным током, кроме теплоты Джоуля-Ленца, выделяется или поглощается дополнительная теплота Томсона в зависимости от направления тока. Профессор Томсон (он же – лорд Кельвин) разработал термодинамическую теорию термоэлектричества и установил два закона (соотношения Томсона). Отметим, что в мае 2017 г. в г. Белфаст (Северная Ирландия) на родине Уильяма Томсона состоится XVII Международный форум по термоэлектричеству, посвященный памяти Томсона–Кельвина. В XIX и начале XX века термоэлектрические явления считались лишь интересными научными казусами. Эти открытия изучались в университетах в курсах физики с проведением эффектных демонстраций. Тем не менее все это оставалось достаточно экзотическим и не находило достойного применения.