Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь на основе редкоземельных полупроводников SmS   

 При исследовании высокотемпературных электрических свойств редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в возникновении спонтанной генерации электрического напряжения образцом материала при его равномерном нагреве. В основе эффекта лежит коллективный процесс изменения валентности ионов редкоземельного металла (самария), сопровождающийся скачкообразным увеличением количества свободных электронов. Был изготовлен и испытан макет термоэлемента, осуществляющего преобразование в температурном интервале 150 – 450 ^оС. Экспериментально определённый коэффициент полезного действия макета преобразователя энергии оказался равным ~47% при Т=150 ^оС и ~ 30% при Т=450 ^оС. Генерируемое электрическое напряжение составило около 0,5 В. Вес макетного образца термоэлемента составлял всего 10 г.

   Наиболее близким аналогом предлагаемого преобразователя по выполняемой функции является классический термоэлектрический преобразователь на основе эффекта Зеебека, широко применяемый на практике. Основным параметром, характеризующим качество термоэлектрических преобразователей, считается коэффициент полезного действия. По этому параметру даже первый макетный образец предлагаемого преобразователя превосходят лучшие из термоэлектрических в 3 - 4 раза.

   Следует отметить, что теория и практика классического термоэлектрического преобразования энергии уже в основном исчерпали себя и в последние десятилетия существенного прогресса здесь не наблюдается. Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки коммерческого генератора. Такие генераторы будут предназначены для всех тех областей, где сейчас применяются термоэлектрические генераторы, то есть для “малой энергетики”. Они будут обладать такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, долговечность, малогабаритность, высокие энерговесовые характеристики. В предлагаемых преобразователях отсутствуют движущие части и необходимость создания больших градиентов температуры, что упрощает технологию их изготовления и удешевляет производство по сравнению, как с термоэлектрическими, так и с другими энергоисточниками.

   Для термоэлектрогенераторов экономически показано, что когда их КПД достигнет 15% (сейчас реальные цифры менее 10%), то они будут способны конкурировать со многими другими энергоисточниками. В предлагаемом преобразователе эти цифры будут перекрываться в 2-3 раза, т.к. уже сейчас приближаются к 40-50%. Это дает основание утверждать, что предлагаемый термоэлектрический преобразователь найдет эффективное применение вот многих областях техники. Могут быть созданы солнечные термоэлектрогенераторы, термоэлектрогенераторы на органическом топливе, изотопные и реакторные термоэлектрогенераторы (рабочий материал преобразователя обладает рекордно высокой радиационной стойкостью среди известных полупроводников). Благодаря сравнительно низкой рабочей температуре преобразователя перспективным представляется его использование для утилизации потерь тепловой энергии (двигатели внутреннего сгорания, сжигание мусора, ядерные отходы и др.). Они могут найти применение в объектах аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, нефтяной промышленности и других областях, где необходимо наличие автономных источников электроэнергии.

Принцип действия

    Принцип действия термоэлемента основан на эффекте генерации электродвижущей силы при нагреве полупроводникового материала на основе сульфида самария (SmS) в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Возможны конструкции термоэлемента в двух вариантах: радиальном (рис.1а) и плоском (рис.1б). Радиальный вариант более функционален, а плоский – более технологичен.

Рис.1. Конструкции термоэлементов.

Термоэлемент состоит из:
- массивного металлического корпуса (теплонакопителя) 1, служащего для передачи тепла теплоносителя преобразующему элементу, поддержания преобразующего элемента в рабочем тепловом режиме во время скачков его температуры, сопровождающих процесс генерации, а также для защиты преобразующего элемента от внешних воздействий
- преобразующего элемента 2 из монокристаллического либо поликристаллического SmS, легированного донорными примесями
- металлических электродов 3 

Основные параметры термоэлементов:

• Рабочие температуры +130-500^оС
• Средний КПД в рабочем интервале температур ~ 40%
• Генерируемое напряжение постоянное, 0,5 ¸ 1,5 В
• Внутреннее электросопротивление 0,1 - 1 Ом
• Вес около 10 г

   При испытаниях термоэлемент нагревался от внешнего нагревателя, затем он выключался и термоэлемент остывал до комнатной температуры. Данные о генерируемой при этом ЭДС записывались. Результаты испытаний показали:
1) генерация развивается не постепенно, а скачком при достижении критического значения температуры;
2) генерируемое напряжение состоит из большого числа отдельных импульсов, соответствующих коллективному изменению валентности ионов самария в различных областях преобразующего элемента, имеющих различную концентрацию свободных электронов из-за различной степени легирования SmS;
3) генерация напряжения продолжает развиваться после выключения источника внешнего нагрева, что является следствием саморазогрева SmS, возникающего в процессе генерации и не дающего в течение некоторого времени опуститься температуре ниже критического значения. Для нормальной работы исследуемого термоэлемента необходимо было нагреть его до температуры порядка 450 ^oC и не давать ему охладиться до температуры менее130 ^oC. При этом происходит генерация напряжения порядка 0,5 В. На рис. 2 и 3 приведены фотография макетного образца термоэлемента, работающего на новом принципе, и температурная зависимость его КПД.

Рис. 2. Экспериментальный термопреобразователь радиальной конструкции

Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента полезного действия предлагаемого образца – верхняя кривая. Для сравнения приведена аналогичная зависимость для одного из лучших существующих термоэлементов – нижняя кривая (Т – температура горячего спая)

Конкурентные преимущества.

   Конкурентные преимущества предлагаемого термопреобразователя определяется новым принципом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Эксплуатационные характеристики пока недостаточно исследованы. Объективно можно сравнивать только некоторые характеристики макетного образца и самого принципа преобразования с существующими термоэлектрическими преобразователями и максимальными параметрами, достигнутыми в них. 

   По величине КПД предлагаемый принцип преобразования энергии не только превосходит аналогичный параметр для устройств прямого преобразования: термоэлектрических (единицы %), термоэмиссионных (7-8%), магнитодинамических (10-20%), но и близок к величинам характерным для промышленных процессов (дизельные двигатели 31-44%, карбюраторные бензиновые 25-30%, тепловые электростанции до 40%.).

Области применения.

   Предлагаемые термопреобразователи предназначены для применения в термоэлектрических генераторах. Такие генераторы будут предназначены для всех тех областей, где сейчас применяются обычные термоэлектрические генераторы. Они будут обладать такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации и конструкции, долговечность, малогабаритность, высокие энерговесовые характеристики, технологичность в производстве. Данные термоэлектрические преобразователи могут найти применение в: 

• Термоэлектрогенераторах на органическом топливе (твёрдом, жидком, газообразном) для питания станций катодной защиты, предохраняющих магистральные газо- и нефтепроводы и радиорелейные линии от коррозии, питание бытовой радиотелеаппаратуры, средств связи, освещения, подзарядки аккумуляторов, в частности, для питания электрооборудования, автомобилей и тракторов; к этой же группе следует отнести термоэлектрогенераторы, работающие за счёт тепла отработанных газов ре-активных двигателей, особенностью и преимуществом которых следует считать их малое время работы – порядка нескольких минут; возможность всех этих применений определяется чрезвычайно большими КПД преобразователей, на порядок превосходящий КПД реально существующих; 
• Солнечных термоэлектрогенераторах, использующих энергию солнечных лучей; схемы таких генераторов достаточно хорошо разработаны, однако, экономическая целесообразность их построения упирается в малый КПД существующих преобразователей; температурный рабочий интервал предлагаемых преобразователей как раз хорошо подходит для солнечных генераторов; 
•  Изотопных термоэлектрогенераторах, использующих энергию, выделяющуюся при распаде радиоактивных изотопов, последние получаются из отходов ядерного реактора и путём захвата нейтронов материалами при облучении в реакторе; находят применение для питания различных устройств в море и под водой, в трудно доступных и отдалённых районах Земли, а также в космических аппаратах (различные спутники, космические аппараты для исследования дальнего космоса); Основной недостаток – невысокие удельные тепловые потоки, что вызывает необходимость изготовления термоэлементов большой высоты, для создания требуемого градиента температур [2]; предлагаемые преобразователи не нуждаются в создании градиента температур, их радиационная стойкость выше, чем у полупроводниковых термоэлектрических материалов, что приводит к уменьшению эффектов деградации, КПД почти на порядок выше – всё это характеризует преимущества нового принципа преобразования в данных применениях; 
• Реакторных термоэлектрогенераторах, использующих тепло ядерного реактора; возникающие здесь при применении обычных преобразователей технические проблемы, связанные с отводом тепла от холодных спаев и нестабильностью свойств полупроводников под воздействием радиоактивных излучений могут быть решены за счёт отсутствия необходимости создания градиента температуры и высокой радиационной стойкости SmS; 
• Комбинированных энергоустановках с целью увеличения КПД и полного использования тепловой энергии (в ядерных энергетических установках, автомобильных и судовых двигателях внутреннего сгорания, установках для сжигания мусора и т.п.). Таким образом, данные термопреобразователи могут найти широкое применение в объектах аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, нефтяной промышленности и других областях, где необходимо наличие автономных источников электроэнергии.

Более подробную информацию можно найти здесь...