Исследование влияния сопутствующих тепловых и термоэлектрических эффектов на характеристики термомодулей и уточнение методик расчета генераторов и охладителей

Работа относится к одному из направлений физики конденсированного состояния — практической реализации термоэлектрических эффектов, возникающих в проводящих материалах под воздействием тепловых потоков или при протекании электрического тока. Практика проектирования термоэлектрических преобразователей показывает, что их энергетические характеристики определяются не только свойствами полупроводниковых материалов, но и побочными тепловыми и электрическими эффектами, сопутствующими их конструктивному исполнению. Поскольку эти эффекты во многом взаимосвязаны, то при создании термоэлектрических преобразователей возникает необходимость рассмотрения помимо чисто проектных задач также термодинамических, физических, а иногда и химических аспектов процессов, протекающих как в материалах, так и устройствах.

Настоящее исследование решает задачи учета сопутствующих эффектов в термомодулях при практическом использований термоэлектричества.

Актуальность темы

Развитие термоэлектрического способа преобразования энергии с момента предложенной А. Ф. Иоффе идеи использования для этой цели полупроводниковых материалов [1] характеризуется всплеском научно-технических исследований и инженерных разработок в начале второй половины XX столетия с последующим спадом научной и технической активности к концу столетия. Объективно это было обусловлено как техническими и технологическими трудностями, возникшими при практической реализации термоэлектрического способа преобразования энергии, так и успехами и преимуществами альтернативных направлений (машинный, фотоэлектрический способы для получения электричества, компрессионный на основе фреонов — для получения холода).

Однако накопленный положительный опыт длительной практической эксплуатации различных термоэлектрических устройств и появление новых, более эффективных полупроводниковых материалов [2] - с одной стороны, возникшие проблемы экологической безопасности, связанные с применением фреонов, большой срок службы, многофункциональность, низкая стоимость — с другой, в свете современных проблем и перспективных задач малой энергетики уже сегодня ставят вопрос о необходимости пересмотра приоритетов и выделения областей применения, где преимущества термоэлектричества могут сделать его определяющим фактором при выборе устройства для получения электроэнергии. В более отдаленном времени термоэлектричество имеет перспективу практического использования при исследованиях дальнего космоса.

По назначению область практического использования термоэлектричества можно условно разбить на два направления:

Первое направление — использование термоэлектричества в промышленно-бытовых целях. Современное состояние энергетики наряду с совершенствованием традиционных способов преобразования энергии характеризуется поиском альтернативных путей, основанных на использовании энергии Солнца, утилизации сбросового тепла, отказе от загрязняющих окружающую среду способов и пр. Одним из путей использования термоэлектрических преобразователей для превращения теплоты в электричество является установка батареи термомодулей в теплотехнических установках бытового назначения (отопительные котлы, водогрейные установки, генераторы теплого воздуха и пр.), при этом каких-либо затрат на нагрев и охлаждение термобатареи не требуется. Это повысит их автономность и надежность в первую очередь в местах постоянного или временного отсутствия электроэнергии. Аналогичные устройства могут быть использованы в каталитических генераторах теплоты, работающих на сжигании как высококалорийных, так и низкокалорийных топлив, а также различных отходов, содержащих горючие компоненты. Последнее обстоятельство, а также малые габариты и достаточно высокая мобильность таких установок вместе с возможностью одновременного производства электроэнергии не прибегая к помощи бензоэлектрических или иных агрегатов, могут сделать такие установки привлекательными для различных потребителей — от сельхозпроизводителей до подразделений министерства по чрезвычайным ситуациям.

Другой областью применения термоэлектричества из этого направления является использование его для охлаждения скоропортящихся продуктов питания, медикаментов в условиях отсутствия традиционных источников электроэнергии. Устройство состоит из термоэлектрических генератора и холодильника, причем источником нагрева для термогенератора могут служить солнечное излучение, теплотехнические установки бытового назначения и пр. В качестве системы охлаждения термобатареи в генераторе и холодильнике может служить единый водяной контур со сбросом избытка теплоты в естественный или искусственный водоем. Кроме того, термоэлектрическое охлаждение является экологически чистым способом преобразования энергии, что в современных условиях приобретает всё возрастающую значимость.

Второе направление — использование термоэлектричества в космических целях, в том числе в системах энергоснабжения маломассогабаритных космических аппаратов (МКА). В настоящее время в России идет форсированное создание МКА, обусловленное такими факторами, как короткие сроки создания при минимальных затратах на изготовление и организацию пуска, а также возможность применения конверсионных межконтинентальных баллистических ракет. Термоэлектрический способ преобразования излучения Солнца в электроэнергию может составить конкуренцию фотоэлектрическому, так как солнечные батареи с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) обладают рядом недостатков, основными из которых являются:

— деградация фотоэлементов от воздействия солнечного и космического излучения, в связи с чем энергетический потенциал ФЭП со временем падает, — использование химических аккумуляторов электроэнергии на теневых участках орбиты, по массе составляющих от 20 до 50% от общей массы системы электропитания, ухудшает весовое совершенство полезной нагрузки, что особенно существенно для МКА;

— высокая стоимость солнечной батареи с ФЭП, составляющая по разным оценкам до 250 долларов США на 1 Вт вырабатываемой электроэнергии, что более чем на порядок дороже термоэлектрической батареи.

Особенно перспективным представляется применение термоэлектричества в дальнем космосе, где из-за ослабления солнечного излучения фотоэлектрические преобразователи неработоспособны, в то время как термоэлектричество сохраняет свою эффективность вследствие возрастания термодинамического потенциала.

Таким образом, актуальность использования термоэлектричества в научных, промышленных и бытовых целях не ослабевает, перейдя из стадии научных исследований к опытно-конструкторским разработкам и практической реализации конкретных технических решений. При этом, учитывая конструктивные особенности термомодулей в сочетании с различными теплоэнергетическими устройствами, задача выбора оптимальных характеристик термобатарей постоянно усложняется вследствие необходимости учета как ранее выявленных побочных факторов, так и появления дополнительных эффектов, обусловленных конструктивными особенностями конкретного устройства.

Цели и задачи. Целью работы является исследование влияния сопутствующих тепловых и термоэлектрических эффектов, обусловленных конструктивным исполнением термомодулей, на их энергетические характеристики и уточнение методик расчета генераторов и охладителей.

Конкретными задачами исследования являются:

— анализ тепловых и термоэлектрических эффектов, возникающих в термомодуле, при работе его в режиме генератора и холодильникаматематическая формулировка энергетического баланса на спаях термомодулей с использованием аппарата описания фундаментальных тепловых и термоэлектрических эффектов;

— разработка методик расчета энергетических и геометрических характеристик батареи термомодулей при работе в режиме генератора и холодильника;

— сравнение расчетных и экспериментальных характеристик термомодуля;

— определение возможности применения композиционных диффузионно-твердеющих припоев для изготовления генераторных термомодулей;

— разработка конкретных конструктивных схем термоэлектрических преобразователей опираясь на результаты исследований.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются-тепловые и термоэлектрические эффекты, возникающие в термомодулях при проектировании генераторов и холодильников. Предметом исследования являются:

— термомодули и инженерные методы расчета их энергетических и геометрических характеристик;

— термические и электрические свойства коммутации термоэлементов и способы повышения термостойкости термомодулейконструкции термоэлектрических преобразователей на основе термомодулей с различными источниками теплоты.

Метод исследования. Расчетно-теоретический анализ энергетических характеристик термомодуля и батареи термомодулей, основанный на фундаментальных представлениях о возникновении тепловых и термоэлектрических эффектов в полупроводниковых материалах, с учетом конкретной конструкции термомодуля или термоэлектрического устройства.

Экспериментальное определение энергетических характеристик термомодулей при различных режимах теплового и электрического нагружения.

Научная новизна. На основе фундаментальных представлений о возникновении тепловых и термоэлектрических эффектов физически обоснованы и математически описаны сопутствующие тепловые и термоэлектрические эффекты, возникающие в термомодулях при работе их в режиме генератора и холодильника.

Решена задача определения теплопередачи через термомодуль, осложненной лучисто-конвективным теплообменом в зазорах между термоэлементами.

Разработана уточненная модель энергетического баланса батареи термомодулей, работающей в режиме генератора и холодильника, с учетом описанных сопутствующих тепловых и термоэлектрических эффектов и их зависимости от перепада температуры на спаях термоэлементов.

Выявлены недостатки существующих методов оптимизации характеристик термомодуля по току при работе его в режиме холодильника, предложен метод оптимизации на основе «полного» напряжения источника питания.

Теоретически обоснована возможность применения композиционных диффузионно — твердеющих припоев как элементов коммутации при изготовлении термомодулей.

Теоретически обоснована и подтверждена расчетами идея использования солнечного термоэлектрогенератора в качестве источника электропитания для космических аппаратов дальнего космоса.

Разработана математическая модель расчета характеристик термоэлектрического источника питания на основе использования тепловой энергии отопительных котлов.

Исследована проблема создания термоэлектрического источника питания для термоэлектрического холодильника. Предложена система уравнений для расчета характеристик термобатарей с использованием ЭВМ.

Практическая значимость. Разработан комплекс программ на ЭВМ для решения задач оптимизации энергетических и геометрических характеристик батареи термомодулей, работающей в режиме генератора и холодильника.

Показано влияние сопутствующих тепловых и электрических эффектов на характеристики термомодулей, а также влияние температуры на распределение энергии в термомодуле и обоснована необходимость всестороннего учета температурного фактора при проектировании.

Подтверждена возможность использования композиционных диффузионно — твердеющих припоев для изготовления термомодулей, что существенно повышает их термостойкость.

Предложено техническое решение проблемы длительного обеспечения электропитанием космических аппаратов дальнего космоса на основе солнечного термоэлектрического генератора.

Предложено техническое решение задачи автономного обеспечения электроэнергией агрегатов отопительных котлов на основе термоэлектрической батареи без дополнительного расходования топлива.

Предложено техническое решение проблемы охлаждения продуктов питания, медикаментов при отсутствии традиционных источников электроэнергии. Решение запатентовано.

На защиту выносятся. 1. Математическая модель термомодуля как термодинамической системы с внутренними термоэлектрическими и тепловыми эффектами при внешнем тепловом и электрическом нагружении.

2. Методики расчета энергетических и геометрических характеристик батареи термомодулей при работе в режиме генератора и холодильника.

3. Результаты расчетных исследований влияния сопутствующих тепловых и термоэлектрических эффектов на характеристики термомодулей.

4. Результаты исследований характеристик термомодулей, изготовленных с применением композиционных диффузионно — твердеющих припоев.

5. Технические проекты, методики и результаты расчетов энергетических характеристик термоэлектрических преобразователей целевого назначения.

Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, доложены на XVIII, XX, XXII Российской школе «Проблемы проектирования неоднородных конструкций» в 1999, 2000, 2002 гг., г. Миасс, Челябинской обл.- на VII Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применения» ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, г. С — Петербург, 2000 г.- на Всероссийской конференции «Химия и функциональные материалы» ИХТТ УрО РАН, г. Екатеринбург, 2000 г.

Публикации. Материалы и статьи на тему диссертационной работы опубликованы:

— в трудах XVIII (1999 г.), XX (2000 г.), в тезисах XXII (2002 г.) Российской школы «Проблемы проектирования неоднородных конструкций», г. Миасс, Челябинской обл.;

— в сборнике докладов VII Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения» ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, г. СПетербург, 2000 г.;

— в тезисах докладов Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы», г. Екатеринбург, 2000 г.;

— в Инженерном журнале. Справочнике. № 9, Москва, 1999 г.;

— в Межотраслевом научно — техническом журнале «Конструкции из композиционных материалов», вып. 3, Москва, 1999 г.;

— в Инженерно — физическом журнале, АНК «ИТМО им. А.В. Лыкова» НАН Беларуси, т. 74, № 1, 2001 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами и списка литературы.

Основные результаты исследований можно сформулировать в виде следующих выводов:

1. Сформулированы принципы и записаны системы уравнений энергетического баланса на спаях термоэлементов термомодуля, работающего в режимах генератора и холодильника, на основе представления термомодуля как термодинамической системы с внутренними тепловыми и термоэлектрическими эффектами, заключенной между источниками с разной температурой.

2. Исследован лучисто-конвективный теплообмен внутри термомодуля, не содержащего межэлементной изоляции, и выведено соотношение для расчета коэффициента тепловой проводимости термомодуля.

3. Разработаны методики и программы расчета характеристик батареи термомодулей, работающей в режимах генератора и холодильника, учитывающие помимо зависимости термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов от температуры и наличия термического и электрического сопротивлений элементов коммутации также лучисто-конвективный теплообмен в межэлементном пространстве термомодулей, и особенности возникновения тепловых и термоэлектрических эффектов при параллельно-последовательном электрическом соединении термомодулей в батарею.

4. Проведено расчетное исследование влияния на энергетические характеристики термомодуля сопутствующих тепловых и электрических эффектов, обусловленных конструкцией термомодуля, работающего в режиме генератора.

5. Исследованы тепловые, электрические и термоэлектрические свойства термомодуля, работающего в режиме холодильника. Показано, что недостатком существующих методик оптимизации энергетических характеристик холодильников является построение зависимостей в функции от силы тока, являющейся также функцией температуры, что существенно сказывается на возможностях оптимизации.

6. Предложено в качестве независимой переменной при построении функциональных зависимостей энергетических характеристик термомодуля от параметров электрического нагружения использовать «полное» напряжение, соответствующее ЭДС источника питания, что особенно важно при использовании химических или термоэлектрических источников питания.

7. Исследованы свойства композиционных диффузионно-твердеющих припоев применительно к требованиям, предъявляемым к элементам коммутации. Испытания опытных образцов термомодулей в режиме генератора, изготовленных с применением указанных припоев, подтвердили спрогнозированные энергетические характеристики термомодулей и перспективность данного способа коммутации.

8. Разработаны технические проекты и методики расчета характеристик термоэлектрических преобразователей целевого назначения: солнечной термоэлектрической батареи для системы электроснабжения космических аппаратов, термоэлектрического источника питания для отопительных котлов, термоэлектрического холодильника с термоэлектрическим источником питания.

9. Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанных программно-методических материалов для решения задач проектного и исследовательского характера по созданию термоэлектрических преобразователей различного назначения. Результаты диссертационной работы использованы в проектных разработках и внедрены в конструкторскую документацию ГРЦ «КБ им. акад. В.П. Макеева», ООО «Эко-терм», а также запатентованы.

Исследовательские и опытно-конструкторские разработки, частично использованные в диссертации, выполнены при финансовой поддержке Российского авиационно-космического агентства в рамках реализации Федеральной целевой программы реструктуризации и конверсии оборонной промышленности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

В диссертации на основе фундаментальных представлений о возникновении тепловых и термоэлектрических эффектов в полупроводниковых термоэлементах при тепловом нагружении или при пропускании электрического тока проведен анализ работы термомодуля в режимах генератора и холодильника с учетом возникновения сопутствующих тепловых и термоэлектрическиих эффектов, обусловленных конструктивным исполнением термомодулей. В отличие от большинства предшествующих работ, в которых прараметры сопутствующих эффектов выражены через характеристики полупроводниковых термоэлементов, в данной работе все тепловые и термоэлектрические эффекты описаны и представлены в балансных уравнениях индивидуально с учетом зависимости свойств от температуры.

Другой важной задачей, которая была рассмотрена в диссертации, является задача повышения термостойкости термомодулей, у которых коммутация термоэлементов осуществляется с использованием припоев, с целью использования таких термомодулей в качестве генераторов электроэнергии.

Следующая задача, которая была решена в данной работе, состояла в пректировании термоэлектрических устройств целевого назначения с использованием разработанных программно-методических материалов. Рассмотрены проекты солнечной термоэлектрической батареи для космических аппаратов, термоэлектрического источника питания для отопительных котлов, автономного термоэлектрического холодильного агрегата.