Новый тип высокоэффективных термоэлектрических преобразователей

В http://gidepark.ru/user/2600530362/article/315488  было сообщение, что Новосибирский завод отправил в пострадавшую от стихийного бедствия Японию партию единственных в мире дровяных отопительно-варочных печей, вырабатывающих электрический ток.

В http://gidepark.ru/user/3125688327/article/322473 я писал о более эффетивных термофотоэлектрических преобразователях на основе наногетероструктур. Даный материал посвящен еще одному типу ТЭП, основанному на недавно отрытом физическом эффекте. 

При исследовании электрических свойств редкоземельных полупроводников при высоких температурах питерскими учеными 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 термоэлектрического преобразователя (ТЭП) на основе сульфида самария, осуществляющий 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 макетный образец ТЭП 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 данном ТЭП эти цифры будут перекрываться в 2-3 раза, т.к. уже сейчас приближаются к 40-50%. Это дает основание утверждать, что такие ТЭП найдут 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 термоэлектрического преобразователя основан на эффекте генерации электродвижущей силы при нагреве полупроводникового материала на основе сульфида самария (SmS) в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Конструктивно ТЭП  могут быть  разработаны и изготовлены  в двух вариантах - радиальном и плоском. Радиальный вариант более функционален, а плоский – более технологичен.

Термоэлектрический преобразователь 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,

- преобразующего элемента из монокристаллического либо поликристаллического SmS (возможно поликристаллической плёнки), легированного донорными примесями вдоль направления расположения электродов,

- металлических электродов.

Ожидаемые параметры ТЭП:

Рабочие температуры                                      +130 ¸ 500 оС

Средний КПД в рабочем интервале температур       ~ 40%

Генерируемое напряжение постоянное              0,5 - 1,5 В

Внутреннее сопротивление                                 0,1 - 1 Ом

Вес                                                                          ~ 10 г

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 промышленного энергооборудования (дизельные двигатели 31-44%, карбюраторные бензиновые 25-30%, тепловые электростанции до 40%).

Предлагаемые ТЭП предназначены для применения в термоэлектрических генераторах автономных источников электроснабжения. Они будут обладать такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации и конструкции, долговечность, малогабаритность, высокие энерговесовые характеристики, технологичность в производстве. Данные ТЭП 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 реактивных 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;

- в 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;

- в 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. 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 – все это характеризует преимущества нового принципа преобразования в данных применениях;

- в 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;

- в 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, применение нового принципа преобразования, основанного на неизвестном ранее физическом эффекте, позволит в несколько раз повысить КПД подобных ТЭП по сравнению с ближайшими аналогами термоэлектрических преобразователей. В таких 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. Следует отметить также нетоксичность SmS, которая определяется высокой температурой плавления (2300 оС) и отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем интервале температур.