Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно
Химия

Реферат — Термоелектричні генератори — скачати безкоштовно


Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно

Завантажити реферат: Термоелектричні генератори

План реферату

1) Загальні відомості про термоелектричні генератори.

2) Фізичні засади роботи термоелектричних генераторів.

3) Батареї термоелектричних елементів.

Література:

1) Загальні відомості про термоелектричні генератори.

Термоелектричні генератори (ТЕГ) є напівпровідниковими термопарами і призначені для прямого перетворення теплової енергії в електроенергію. вони застосовуються в пересувних АЭУ , що живлять важкодоступні об’єкти, які монтуються у віддалених районах Землі (автоматичні метеостанції, морські маяки тощо). У перспективі такі об’єкти можуть монтуватися на Місяці чи інших планетах. Як джерела тепла для підведення до гарячих спаїв ТЕГ: радіоактивні ізотопи (РІТЕГ), ядерні реактори (ЯРТЕГ), сонячні концентратори різного виконання (СТЕГ). Орієнтовно приймають, що при електричних потужностях від 1 до 10 кВт на КЛА доцільні РІТЕГ та СТЕГ, а при підвищених рівнях потужності – ЯРТЕГ. Останні найперспективніші для АЕУ КЛА.

Переваги ТЕГ: великий термін служби, висока надійність, стабільність параметрів, вібростійкість. Недоліки ТЕГ: невисокі відносні енергетичні показники: питома маса 10-15 кг/кВт, поверхнева щільність потужності 10 кВт/м (на одиницю поперечного перерізу елемента), об’ємна щільність потужності 200-400 кВт/м3 та порівняно низький ККД перетворення енергії (5 8%. Стосовно ЛА ТЕГ являють собою батареї кремнегерманієвих термоелектричних елементів (ТЕЕ), які за матричним принципом з’єднані у гілках послідовно, а гілки можуть мати між собою паралельні з’єднання. Батареї ТЕЕ укладені з герметичні контейнери, заповнені інертним газом, щоб уникнути окислення і старіння напівпровідників. Плоскі або циліндричні конструкції ТЕГ забезпечуються пристроями для підведення тепла на гарячих спаях і для його відведення на «холодних» спаях напівпровідникових термостовпчиків. Конструкція силових електровиводів ТЕГ повинна забезпечувати одночасно термощільність і електричну ізоляцію від корпусу (контейнера), що представляє досить складне технічне завдання.

2) Фізичні засади роботи термоелектричних генераторів.

В основі дії будь-якого ТЕЕ лежать оборотні термоелектричні ефекти Пельтьє, Томсона (Кельвіна) та Зебека. Визначальна роль у ТЕГ належить ефекту термо-ЕРС (Зебека). Перетворення енергії супроводжується незворотними (дис-пативними) ефектами: передачею тепла за рахунок теплопровідності матеріалу ТЕЕ і протікання струму. Матеріали ТЕЕ з примі-стної електронної та дірковою провідністю отримують введенням легуючих добавок в кристали основного напівпровідника.

Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно

Рис. 1. Принципова схема елементарного напівпровідникового ТЕГ

При робочих температурах Т*900*100 К доцільні сплави 20-30% Ge-Si, а при Т*600*800 К – матеріали на основі телуридів та селенідів свинцю, вісмуту та сурми. Схема кремнієвого ТЕЕ показано на рис. 1. Тепло Q1 підводиться до ТЕЕ (ТЕГ) через стінку нагрівача 1 за допомогою теплоносія (наприклад рідкометалевого), теплової труби або при безпосередньому контакті з зоною тепловиділення реактора. Через стінку 7 холодильника тепло Q2 відводиться від ТЕГ (випромінюванням, теплоносієм або тепловою трубою). Спаї напівпровідникових кристалічних термостовпчиків 4 і 9 утворені металевими шинами 3 і 5, 8, які електрично ізольовані від стінок 1 і 7 шарами діелектрика 2, 6 на основі оксидів температур *Т = Т1-Т2.

Ефективність ТЕГ забезпечується істотною різнорідністю структури гілок 4 і 9. Гілка р-типу з дірковою провідністю виходить введенням у сплав Si-Ge акцепторних домішок атомарного бору В. Гілка п-типу з електронною провідністю утворюється при легуванні донорними атомами фосфору Р. Через підвищену хімічну активність і малу механічну міцність напівпровідникових матеріалів з’єднання їх з шинами 3, 5, 8 виконується прошарками зі сплаву кремній-бор. Для досягнення стабільної роботи батарея ТЕЕ герметизована металевою касетою заповненою аргоном.

Ефект Пельтьє. У прикордонній площині — спаї різнорідних напівпровідників (або металів) — при протіканні струму I поглинається тепло Qп, якщо напрям струму I збігаються з напрямком результуючого теплового потоку ( який виник би при підігріві спаю). Якщо ж напрями струму I і цього потоку протилежні, Qп походить від зовнішнього джерела тепла (з нагрівача споживається додаткова енергія) або з внутрішніх запасів енергії, якщо зовнішнє джерело відсутнє (в цьому випадку спостерігається охолодження спаю). У замкненому на опорі Rп термоелектричного ланцюга ТЕГ на гарячих спаях стовпчиків ТЕ тепло Qп поглинається (ендотермічний ефект). Це охолодження Пельтьє треба компенсувати додатковим підведенням тепла * ззовні. На холодних спаях тепло Пельтьє виділяється (екзотермічний ефект). Тепло, що виділилося Qп, необхідно відводити за допомогою зовнішнього охолоджуючого пристрою. Зазначені явища обумовлюються перерозподілом носіїв зарядів (електронів) за рівнями енергії: при підвищенні середньої енергії електронів її надлишок виділяється в спаї. Тепло Пельтьє пропорційно заряду, що переноситься: де
Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно — Коефіцієнт Пельтьє
Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно
Електричний струм I=dq/dt, отже, енергія (за час t)
Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно
а теплова потужність su Зворотність ефекту Пельтьє полягає в тому, що при живленні ланцюга струмом I від зовнішнього джерела характер теплової дії I на спай можна змінювати реверсуванням напряму струму . На цьому засновано створення термоелектричних нагрівачів та холодильників. Останні мають практичне значення.

Ефект Томсона (Кельвіна). Ефект Томсона відноситься до об’ємних (лінійних) ефектів на відміну від площинного (точкового) ефекту Пельтьє. при протіканні струму I по термічно неоднорідному напівпровіднику (або провіднику) на його відрізку (х1,х2) з перепадом *Т1-Т2*0 у разі збігу напрямків струму та градієнтаРеферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно виділяється тепло Томсона Qт (нагрів відрізка). При зустрічних напрямках I і Т тепло Qт поглинається (охолодження відрізка). Ефект пояснюється зміною енергії електронів, що рухаються при переміщенні в область з іншим температурним рівнем. При реверсі напряму I спостерігається оборотність ефекту Томсона, тобто. зміна екзо-або ендотермічного характеру теплової дії. Теплова енергія пропорційна струму I і перепадуРеферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно тобто. причому dT=|*T|dx. Отже (дляРеферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно на р- та п-ділянках),
Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно
ТутРеферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно

— Середнє значення коефіцієнта Том-сона для даного матеріалу. У разі |*T|=dT/dx. Теплова потужність

Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно

Кількісне значення ефекту Томсона другорядне.

Ефект Зебека. У ланцюзі двох різнорідних провідників або напівпровідників, спай та кінці яких мають перепад темпера-тур, виникає елементарна термо-ЕРС dE=Z(T)dT або ЕРС

Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно

причому середнє значення коефіцієнта Зебека

Реферат - Термоелектричні генератори - скачати безкоштовно

Ефект звернемо: якщо співвідношення замінити на , то напрямок дії Е змінюється, тобто. відбувається реверс полярності ТЕЕ. Оборотність ефекту Зебека супроводжується зворотністю ефекту Пельтьє.
Принцип роботи ТЭЭ. (Рис. 1). Кінетична енергія електронів на кінці ланцюга з вище, ніж на «холодних» кінцях з Т = Т2, отже, переважає дифузія електронів від гарячого спаю до холодних кінців. концентрація електронів в р- і паветвях різна, тому більш негативний потенціал отримує кінець термостовпчика п-типу, по відношенню до якого кінець стовпчика р-типу має позитивний потенціал. Різниця потенціалів Е = Z (T1-T2) обумовлює струм I (при замиканні ланцюга на опір Rн навантаження) і корисну електричну потужність Роботі ТЕГ супроводжують оборотні ефекти.

3) Батареї термоелектричних елементів.

Для отримання в ТЕГ характерної напруги U * 30 при ЕРС одного ТЕЕ Е * 0,1 * 0,3 В потрібно послідовно з’єднати в батарею приблизно N * 102 ТЕЕ. при заданих розмірах перерізу термостовпчика і рівнях струму I навантаження необхідне число паралельних гілок у батареї визначається щільністю струму J=I/s*10 A/см2. Для КЛА виконуються батареї ТЕГ потужністю від одиниць до сотень ват. У СРСР для стаціонарних та пересувних АЕУ створено РІТЕГ серії «Бета» потужністю до 10 Вт на радіоактивному ізотопі церію 144Се. Плоскі та циліндричні варіанти ТЕГ визначаються їх компонуванням у блоці. Каскадне з’єднання ТЕГ дозволяє підвищити ККД перетворення енергії до 0,13. З метою зменшення питомої маси ТЕГ розроблено багатошарові плівкові ТЕЕ. представляє інтерес створення в перспективі ТЕГ у вигляді експериментальних реакторів генераторів на базі інтегрального виконання ТЕЕ і тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ) з діляться сполук типу сульфідів урану або торію, які мають напівпровідникові властивості.

Література:

  1. Алієвський Б. Л. Спеціальні електричні машини. М.: Вища школа, 1994р.

© Реферат плюс



Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *