1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (Нетрадиционные возобнавляемые источники энергии. А.М. Магомедов, 1996u), страница 35

Соотношение между тремя термоэлектрическими коэффициентами называют соотношениями Томсона: аП ада=та-'ь. + ПАв = а эТ. (4) аТ Термоэлектрический элемент. Простейшей моделью термоэлектрического элемента является цепь, состоящая нз двух различных однортэдньтх проводящих материалов, спаи которой находятся при различных температурахТ| и Тз. Оптимальный коэффициент добротности термоэлектрического элемента: я= (5) (~ь я + )ьж 1 где Х- теплопроводность; р — удельное сопротивление.

Коэффициент полезного действия прн максимальной электрической мспцности во внешней цепи: т)1- т~, —,~ — —, (6) где тр, — КПД цикла Карно. Ф Я ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В СОЗДАНИИ ТВРМОЭ.йВВТРИЧВСггИ1г МАТкРИ ь ЛОВ В настоящее время в связи с интенсивным освоением космоса н глубин морей и океанов, отдаленных н труднодоступных районов земного шара, возрастает потребность а автономных источниках электроэнергии.

Наиболее перспективным методом прямого преобразования энергии, позволяющим создавать автономные источники литания н лолучнвшнм широкое практическое применение, является термоэлектрический метод. В связи с мнкромнннатюризацией радиоэлектронной аппаратуры возникли потребности как в малогабаритных источниках электропитания„так и в миниатюрных охлаждающих н термостабилизирующих устройствах, способных работать лри статических н динамических нагрузках.

резких температурных колебаниях, в невесомости и безвоздушном пространстве. Успешное решение перечисленных проблем в определенной мере связано с совершенствованием термоэлектрических методов преобразования энергии. Термоэлэктуическял энергетика является сравнительно новой областью техники, и период ее развития насчитывает, по существу, лишь дватрн десятилетия. Поэтому представляет несомйенный интерес изучение накопленного опыта разработок термоэлектрических материалов 1ТЭМ), являющихся основным звеном, обеспечивающим эффективность работы термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и термоэлектрических охлаждающих устройств 1ТЭОУ), исследование развития технических решений в этой области и выявление наиболее перспективных направлений.

Анализ имеющихся экспериментальных данных в области разработки термоэлектрических материалов свидетельствует о следующем. 1. Основную часть термоэлектрических материалов составляют системы на основе В1, Те, Бе, ЗЬ, СЬ, применяемые для создания генераторных и холодильных термоэлектрических устройств. 2. Развитие термоэлектрических материалов идет по пути разработки многокомпаиентных систем с введением большого количества легнрующих добавок.

3. Разработка многокомпонентных систем идет по пути экспериментального подбора компонентов, входящих в термоэлектрические материалы. 4. Исследование свойств термоэлектрических материалов основано на экспериментальном определении характеристик разработанных составов, что порождает неоправданное количеспю мелких иаучио-исследовательских работ в указанном направлении. Для решения вопроса о выборе состава материала с необходимыми свойствамн для целей термоэлектрического преобразования энергии необходимо провести анализ имеющихся в настоящее время термоэлектрн- 165 ческих свойств материалов одно- и двухкомпонентного состава н выявить нх закономерности и взаимосвязи. К термоэлектрическим материалам с точки зрения эффективности преобразования энергии и стабильности их термоэлектрических свойств предъявляются следующие требования.

! . Высокая механическая и электрическая прочность. 2. Слабая температурная зависимость характеристик в рабочем диапазоне температур. 3. Высокая термозффективность. 4. Высокая технологичность изготовления материалов. 5. Высокая химическая стойкость.

6. Низкая стоимость полупроводниковых термоэлектрических материалов и т.д. Несмотря на большие достижения в рассматриваемой области, еще есть воэможности улучшения термоэлектрических материалов. Решение проблемы создания высокоэффективных термоэлектрических материалов, как и других — сверхпроводящих, 'пьезоэлектрических, электрозрозионностойких и т.д. -ндетпо двум направлениям: 1) разработка новых составов термоэлектрических материалов; 2) усовершенствование технологии их изготовления. Большую роль здесь также играет выявление взаимосвязи между энергетическим состоянием термоэлектрических материалов и их свойствами.

з 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 1. Основной характеристикой материалов, идущих на создание термоэлектрических приборов, является термоэлектрическая эффективность, определяемая по формуле: гг а' Е= —, (1) 2. где и — электропроводность, а — коэффициент термоэдс, 2 — коэффиПиент теплопроводности. 2. Величина термоэдс зависит от свойств материал» и диапазона температур, в котором измеряется а. Исследование величины а для различных материалов производится в паре с каким-то другим веществом, поэтому практически невозможно сопоставить величины а для различных материалов, что препятствует осуществлению научного прогноза в области развития термоэлектрических материалов, обеспечивающих эффективное преобразование тепловой энергии в электрическую и наоборот.

Делались попытки теоретически рассчитать значения термоэдс для металлов: г~') ) Ф ге= — и К вЂ” + —— Зе, . ~1ь 1ЙБ,) . (2) где и — химический потенциал электронов, с — длина свободного пробега электронов с кинетической энергией Е. Выражение для определения а полупроводниковых материалов с учетом как свободных электронов и., так и дырок и+ имеет.следующий внц: а= — У и А+)и ( „, ) -с),п, А+)и-~-„т — ~~- .(3) Значение постоянной А зависит от механизма рассеяния электронов.

Однако теоретические формулы для расчета термоэдс как металлов, так и полуйроводниковых материалои практической ценности не имели. 3. Электропроводность термоэлектрических материалов - характеристика„като))йя также с,большим трудом поддается, теоретическому расчету и до сзйх пор в основном определяется экспериментальным путем. 4. Теплопроводность термоэлектрических материалов - структурно- чувствительная характеристика„в значительной степени зависящая от содержания примесей, вида обработки, параметров состояния, также определяется экспериментальным путем. з 4. пОиски сОстАВОВ, леТНРОВАние' ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 167 Термоэлектрические материалы принято классифицировать как низкотемпературиые, среднетемпературные и высокотемпературные.

1. Низкотемпературные — рабочий интервал температур 100-600К. В диапазоне этих температур окисление, диффузия в местах контактов, улетучиваемость примесеи и основного вещества идут сравнительно медленно. Исходными компонентами низкотемпературных материалов являются В1„БЬ, Бе и Те. 2. Среднетемпературные — рабочий интервал температур 600— 1000К.

К среднетемцературным интервалам относятся РЬТе, РЬЗе, ОеТе. 3. Высокотемпературные — рабочий интервал температур 950 +2000К. Высокотемпературные термоэлектрические материалы работают в очень жестких условиях: окисляемость, летучесть примесей, давление паров, диффузия и растворимость легирующих добавок и т.д. К ннм относятся наиболее изученная система Ое-31 с непрерывным рядом твердых растворов, имеющих температуру плавления от 1230 (Ое) до 1693К (31). По составу двухкомпонентиые термоэлектрические материалы де- лятся на: 1) Халькогениды элементов: 1 группы-Сц,АБ,Ац; П группы - Ул, Сй, Нй; П1 группы - В, А1, Оа, 1п и 'П; 17 группы-Р,Аз,БЬийг.

2) Фосфиды: Ул - Р, Сб - Р. 3) Арсениды: Ул-Аз, Сб- Аз, 4) Антимониды: Еп - БЬ, Сб - БЬ. Большой интерес как двухкомпонентные термоэлектрические мате- риалы лредставшпот жидкие полупроводниковые системы: А1БЬ, упБЬ, РЬБе, РЬБ, ВЬТез, В1гйез, БЬгТез, МйгБ1, Мйгйп, МйгРЬ. Некоторыми уникальными термоэлектрическими свойствами обла- дают расплавы солей, к которым относятсж АБР, АБВг, АБУ, АБС1, 1лС1, ЫаС1, КС1, СбС1г, РЬС1г, УлСг, Сийг, Сну. ' Однако анализ свойств термоэлектрических двухкомпонентных сис- тем свидетельствует об отсутствии функциональных зависимостей между ними.

Каждая система исследуется экспериментальным путем. Взаимо- связь между составом двухкампонентных систем, их свойствами и рабо- чим интервалом температур также отсутствует. я 5. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Технология изготовления термоэлектрических материалов оказывает значительное влияние на их свойства, В настоящее время для изготовления полупроводниковых термоэлектрических материалов применяются все передовые технологии, а именно воздействие на термоэлектрические свойства материалов; а) температуры и давления; б) ядерных излучений; в) магнитных полей — технология, которая в последнее время получает широкое распространение; г) электрических полей и т.д.

Перечисленные методы позволяют изменять в заданном направлении свойства термоэлектрических материалов, полученных путем: а) горячего прессования порошков; б) экструзией; в) напылением и др. На эффективность работы ТЭГ влияют значения а, 2„р, входящие в коэффициент добротности. Эти величины связаны друг с другом через концентрацию носителей зарядов и транспортныесвойства. На эффективность ТЗГ существенное влияние оказывают также термические сопротивления на горячей н холодной поверхностях.

Термоэлемент, работающий в интервале температур, должен иметь переменную концентрацию носителей тока по длине. Такой термоэлемент создается из отдельных частей — каскадов с оптимальной концентрацией носителей тока, соответствующих средней температуре. Используют каскады из различных материалов, помещая каждый из них в наивыгоднейший для него температурный диапазон. Это можно сделать двумя путями — сегментированием или каскадированием. Общий КПД ТЭГ колеблется от 2 до 10'/о в зависимости от типа, мощности и условий его эксплуатации.