Термоэлектрический генератор

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 превосходит 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 25%. 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 термоэлемента основан на эффекте генерации электродвижущей силы при нагреве полупроводникового материала на основе сульфида самария (SmS) в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Конструктивно ТЭГ может быть разработан и изготовлен в двух вариантах, схематически представленных на рисунках в радиальном (рис. а) и плоском (рис. б). Радиальный вариант более функционален, а плоский - более технологичен.

Термоэлемент состоит из:

• Массивного металлического корпуса (теплонакопителя), 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 (1);
• Преобразующего элемента из монокристаллического либо поликристаллического SmS (возможно  поликристаллической плёнки),  легированного  донорными  примесями вдоль направления расположения электродов (2);
• Металлических электродов (3).

Ниже приведена кривая генерации напряжения на основе термовольтаического эффекта в SmS в процессе нагрева макета термоэлемента в стационарном режиме (в данном эксперименте нагрев осуществлялся более чем 5 часов).

Термоэлектрический генератор на основе SmS работает на совершенно новом принципе. Наличие в SmS тензорезистивного и термовольтаического эффектов обуславливается уникальностью физических и электрических свойств SmS.

Особенности полупроводникового SmS:

• Уникальный полупроводниковый редкоземельный материал с изоструктурным фазовым переходом «полупроводник-металл» (6,5 кбар);
• Максимально возможная концентрация электронов в зоне проводимости, 1019-1021 cм-3%;
• Изотропность физических свойств, что обеспечивает возможность использования поликристаллической фазы;
• Коэффициент линейного температурного расширения подходит для нанесения на поверхность различных материалов/подложек;
• Высокая радиационная и магнитостойкость дает возможность использования устройств на основе SmS в экстремальных условия;
• Высокая температура плавления (2300^оC), обуславливающая большой диапазон рабочих температур(- 100 ÷ 400^oC).

Для работы существующих аналогов необходимо создание градиентов температуры. Термоэлектрический генератор на основе полупроводникового материала SmS не нуждается в создании последнего, т.к. работает при равномерном нагреве.

В таблице наглядно продемонстрированы преимущества ТЭП на основе термовольтаического эффекта над ТЭП на основе эффекта Зеебека.

• Аккумулирование энергии (Energy Harvesting)

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь, для питания маломощных потребителей электроэнергии от имеющихся источников тепла. ТЭГ позволяет получать электричество из различных источников тепла. Таким образом, генерация идет за счет преобразования побочных видов тепловой энергии в электрическую (зарядка мобильных устройств от бытовых источников тепла). Решения Energy Harvesting зачастую позволяют полностью отказаться от батарей питания.

• Автомобилестроение

Даже очень эффективные двигатели внутреннего сгорания могут преобразовать только около одной трети энергии топлива в механическую энергию, обеспечивающую движение автомобиля. Около 60% вырабатываемой энергии уходит на тепловые потери, которые равномерно распределяются между отработавшими газами и охлаждающей жидкостью. Когда требуемый в салоне автомобиля электрический ток вырабатывается не генератором, а непосредственно из энергии отводимого тепла, возникают дополнительные возможности снижения расхода топлива.

• Автономные наземные и подземные дистанционных системы

Почвенные термоэлектрические генераторы применяются для обеспечения питанием небольших автономных наземных и подземных дистанционных систем, включающих в себя датчики и устройства связи.

• Нефтегазовая промышленность, метеорология, навигация, сельское хозяйство, армия, бытовое применение

Практическое применение в области электро- и теплоснабжения автономных объектов в перечисленных отраслях находят термоэлектрические генераторы на органическом топливе. В качестве источника теплоты в них используются продукты сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива.

• Ядерные реакторы

В настоящее время атомная энергетика ищет пути повышения эффективности и экономичности энергетических установок. Реакторные термоэлектрические генераторы (РТЭГ) преобразуют тепловую энергию деления в электрическую, позволяют получить высокий КПД и удельную мощность при больших эффективности, надежности и компактности.