Міністерство освіти і науки молоді та спорту України

Луцький Національний технічний Університет

Кафедра електропостачання і фізикі

Реферат на тему:

«Теплоенергітіческіе генератори і радіоізотопні джерела енергії»

Виконав: ст. Гр. Ее-11

Самойдюк Б.В. Перевірила: Романю М.В.

Луцьк 2011

План

1. Термоелектричні генератори

1.1. Загальні відомості про термоелектричних генераторах

2. Фізичні основи роботи термоелектричних генераторів

3. Батареї термоелектричних елементів

2 радіоізотопні джерела енергії

1. Загальні відомості

2.2 облости застосування

2.3 радіоізотопні термоелектричні генератори (рітегі)

1. Термоелектричні генератори

1.1 Загальні відомості про термоелектричних генераторах

1. Термоелектричні генератори

Термоелектричні генератори (ТЕГ) представляють собою напівпровідниковітермопари і призначені для прямого перетворення теплової енергії велектроенергію. вони використовуються в пересувних АЕУ, що живлятьважкодоступні об'єкти, які монтуються у віддалених районах Землі

(автоматичні метеостанції, морські маяки і т.п.). У перспективі такіоб'єкти можуть монтуватися на Місяці або на інших планетах. В якостіджерел тепла для підведення до гарячих спаям ТЕГ: радіоактивні ізотопи

(РІТЕГ), ядерні реактори (ЯРТЕГ), сонячні концентратори різноговиконання (СТЕГ). Орієнтовно приймають, що при електричнихпотужностях від 1 до 10 кВт на КЛА доцільні РІТЕГ і СТЕГ, а припідвищених рівнях потужності - ЯРТЕГ. Останні найбільш перспективні для АЕУ КЛА.

Переваги ТЕГ: великий термін служби, висока надійність,стабільність параметрів, вібростійкість. Недоліки ТЕГ: невисоківідносні енергетичні показники: питома маса 10-15 кг/кВт,поверхнева щільність потужності 10 кВт/м2 (на одиницю поперечного перерізуелементу), об'ємна щільність потужності 200-400 кВт/м3 і порівнянонизький ККД перетворення енергії (5-8%). Стосовно до ЛА ТЕГявляють собою батареї кремені-германієвих термоелектричних елементів

(ТЕЕ), які за матричному принципом з'єднані в гілках послідовно, агілки можуть мати між собою паралельні з'єднання. Батареї ТЕЕукладені з герметичні контейнери, заповнені інертним газом, щоб уникнутиокислення і старіння напівпровідників. Плоскі або циліндричніконструкції ТЕГ забезпечуються пристроями для підведення тепла на гарячих спаяхі для його відводу на "холодних" спаях напівпровідникових термостолбіков.

Конструкція силових електровиводов ТЕГ повинна забезпечувати одночаснотермоплотность та електричну ізоляцію від корпусу (контейнера), щопредставляє досить складне технічне завдання.

1.2 Фізичні основи роботи термоелектричних генераторів

В основі дії будь-якого ТЕЕ лежать оборотні термоелектричніефекти Пельтьє, Томсона (Кельвіна) і Зебека. Визначальна роль у ТЕГналежить ефекту термо-ЕРС (Зебека). Перетворення енергіїсупроводжується незворотними (дисипативних) ефектами: передачею тепла зарахунок теплопровідності матеріалу ТЕЕ і протіканні струму. Матеріали ТЕЕ зпріместной електронної та доречний провідністю одержують введеннямлегуючих добавок у кристали основного напівпровідника.

При робочих температурах Т 900 100 До доцільні сплави 20-30% Ge-

Si, а при Т 600 800 К - матеріали на основі теллурідов і селенідомсвинцю, вісмуту і сурми. Схема кремнієвого ТЕЕ показана на рис. 1. Тепло

Q1 підводиться до ТЕЕ (ТЕГ) через стінку нагрівача 1 за допомогоютеплоносія (наприклад жідкометалліческого), теплової труби або прибезпосередньому контакті із зоною тепловиділення реактора. Через стінку 7холодильника тепло Q2 відводиться від ТЕГ (випромінюванням, теплоносієм аботеплової трубою). Спаї напівпровідникових кристалічних термостолбіков 4 і

9 утворені металевими шинами 3 і 5, 8, які електричноізольовані від стінок 1 і 7 шарами діелектрика 2, 6 на основі оксидівтемператур Т = Т1-Т2.

Ефективність ТЕГ забезпечується істотною різноманітністюструктури гілок 4 і 9. Галузь р-типу з доречний провідністю виходитьвведенням в сплав Si-Ge акцепторних домішок атомарного бору В. Ветвь п -типу з електронною провідністю утворюється при легуванні Si-Ge донорнихатомами фосфору Р. Через підвищену хімічної активності і малоїмеханічної міцності напівпровідникових матеріалів поєднання їх з шинами

3, 5, 8 виконується прошарками зі сплаву кремній-бор. Для досягненнястабільної роботи батарея ТЕЕ герметизовані металевої касетою,заповненої аргоном.

Ефект Пельтьє. У прикордонній площині - спае різноріднихнапівпровідників (або металів) - при протіканні струму I поглинається тепло

Qп, якщо напрямок струму I збігаються з напрямком результуючоготеплового потоку (який виник би при підігріві спаяний). Якщо жнапряму струму I і цього потоку протилежні, Qп походить відзовнішнього джерела тепла (з нагрівача споживається додатковаенергія) або з внутрішніх запасів енергії, якщо зовнішнє джереловідсутня (у цьому випадку спостерігається охолодження спаяний). У замкнутої наопорі Rп термоелектричної ланцюга ТЕГ на гарячих спаях стовпчиків ТЕтепло Qп поглинається (ендотермічний ефект). Це охолодження Пельтье требакомпенсувати додатковим підведенням тепла Qп ззовні. На холодних спаяхтепло Пельтьє виділяється (екзотермічний ефект). Виділилася тепло Qпнеобхідно відводити за допомогою зовнішнього охолоджуючого пристрою. Зазначеніявища обумовлюються перерозподілом носіїв зарядів (електронів)за рівнями енергії: при підвищенні середньої енергії електронів її надлишоквиділяється в спае. Тепло Пельтьє пропорційно переносимого заряду:де = (Т) - коефіцієнт Пельтьє

Електричний струм I = dq/dt, отже, енергія (за час t)

а теплова потужність

Оборотність ефекту Пельтьє полягає в тому, що при живленні ланцюга струмом I відзовнішнього джерела характер теплового дії I на спай можна змінюватиреверсування напряму струму. На цьому засноване створеннятермоелектричних нагрівачів і холодильників. Останні мають більшепрактичне значення.

Ефект Томсона (Кельвіна). Ефект Томсона відноситься до об'ємним

(лінійним) ефектів на відміну від площинного (точкового) ефекту Пельтьє.при протіканні струму I по термічно неоднорідному напівпровіднику (абопровіднику) на його відрізку (х1, х2) з перепадом Т1-Т20 в разі збігунапрямків струму і градієнтавиділяється тепло Томсона QТ (нагрів відрізка). При зустрічних напрямках Iі Т тепло QТ поглинається (охолодження відрізка). Ефект пояснюєтьсязміною енергії електронів, що рухаються при переміщенні в область з іншимтемпературним рівнем. При реверсі напрями I спостерігається оборотністьефекту Томсона, тобто зміна екзо-або ендотермічна характерутеплового дії. Теп ловлячи енергія пропорційна струму I і перепаду Ттобто причому dT = | T | dx. Отже (для на р-іп-ділянках),

Тут - середнє значення коефіцієнта Томсона для даного матеріалу.

У одновимірному випадку | T | = dT/dx. Теплова потужність

Кількісне значення ефекту Томсона другорядне.

Ефект Зебека. У ланцюзі двох різнорідних провідників абонапівпровідників, спай і кінці яких мають перепад температур, виникаєелементарна термо-ЕРС dE = Z (T) dT або ЕРС причому середнє значення коефіцієнта Зебека

Ефект звернемо: якщо співвідношення замінити на, то напрямдії Е змінюється, тобто відбувається реверс полярності ТЕЕ. Оборотністьефекту Зебека супроводжується оборотністю ефекту Пельтьє.

Принцип роботи ТЕЕ. (рис. 1). Кінетична енергія електронів на кінці ланцюгаз вище, ніж на "холодних" кінцях з Т = Т2, отже, переважаєдифузія електронів від гарячого спаяний до холодних кінців. концентраціяелектронів в р-і п-гілках різна, тому більш негативний потенціалотримує кінець термостолбіка п-типу, по відношенню до якого кінець стовпчикар-типу має позитивний потенціал. Різниця потенціалів Е = Z (T1-T2)обумовлює струм I (при замиканні ланцюга на опір Rн навантаження) ікорисну електричну потужність Роботі ТЕГ супроводжують оборотніефекти.