: Термоэлектрические генераторы

              ТЕРнМОнЭЛЕКнТРИнЧЕнСКИЕ ГЕнНЕнРАнТОнРЫ              
     1) Обнщие свенденния о тернмонэлекнтринченских генненрантонрах.     
Тернмонэлекнтринченские генненрантонры (ТЭГ) преднставнлянют сонбой
понлунпронводннинконвые тернмонпанры и предннанзнанченны для прянмонго
пренобнранзонванния тенпнлонвой энернгии в элекнтронэнернгию. они
иснпольнзунютнся в пенрендвижнных АЭУ , пинтаюнщих трудннондоснтупнные
обънекнты, контонрые моннтинрунютнся в отнданленнных райнонах Земнли
(авнтонмантинченские ментеонстаннции, морнские маянки и т.п.). В
пернспекнтинве танкие обънекнты монгут моннтинронватьнся на Лунне или на
друнгих планнентах. В канченстнве иснточннинков тенпнла для поднвонда к
гонрянчим спаням ТЭГ : рандионакнтивнные изонтонпы (РИнТЭГ), ядернные
ренакнтонры (ЯРнТЭГ), солннечнные коннценнтрантонры разнличннонго
иснполнненния (СТЭГ). Ориненнтинронвочно приннинманют, что при
элекнтричеснких мощннонстях от 1 до 10 кВт на КЛА ценленсонобнразнны РИнТЭГ и
СТЭГ, а при понвыншеннных уровннях мощннонсти - ЯРнТЭГ. Понследнние
наинбонлее пернспекнтивнны для АЭУ КЛА.
Доснтониннстнва ТЭГ: больншой срок служнбы, вынсонкая нандежнность,
станбильнность панранметнров, вибнронстойнкость. Нендоснтатнки ТЭГ:
ненвынсонкие отннонсинтельнные энернгентичеснкие понканзантенли: удельнная
маснса 10-15 кг/кВт, понверхннонстнная плотнность мощннонсти 10 кВт/м2  
(на единнинцу понпенречнонго сенченния эленменнта ), обънемнная плотнность
мощннонсти 200-400 кВт/м3 и сравннинтельнно низнкий КПД
пренобнранзонванния энернгии (5-8%). Принменнинтельнно к ЛА  ТЭГ
преднставнлянют сонбой бантанреи кремнне-гернманниенвых тернмонэлекнтричеснких
эленменнтов (ТЭЭ), контонрые по матнричнонму приннцинпу сонединненны в ветнвях
понслендонвантельнно, а ветнви монгут иметь менжнду сонбой панралнлельнные
сонединненния. Бантанреи ТЭЭ занключены с гернментичные коннтейнненры,
занполнненнные инертнным ганзом во изнбенжанние окиснленния и станренния
понлунпронводннинков. Плонские или цинлиннднричеснкие коннстнрукнции ТЭГ
снабнжанютнся устнройнстнванми для поднвонда тенпнла на гонрячих спанях и для
его отнвонда на "хонлоднных"  спанях понлунпронводннинконвых
тернмонстолнбинков. Коннстнрукнция синлонвых элекнтронвынвондов ТЭГ должнна
обеснпечивать одннонвренменнно тернмонплотнность и элекнтричеснкую изонлянцию
от корнпунса (коннтейнненра), что преднставнлянет доснтанточно сложнную
                             технничеснкую зандачу.                             
     2) Финзинченские осннонвы ранбонты тернмонэлекнтринченских генненрантонров.
В осннонве дейнстнвия люнбонго ТЭЭ ленжат обнрантинмые тернмонэлекнтричеснкие
эфнфекнты Пельнтье, Томнсонна (Кельнвинна) и Зебенка. Опнренденляюнщая роль в
ТЭГ приннаднленжит эфнфекнту тернмо-ЭДС (Зенбенка). Пренобнранзонванние
энернгии сонпронвонжнданетнся ненобнрантинмынми (диснсинпантивннынми)
эфнфекнтанми: пенрендачей тенпнла за счет тенпнлонпронводннонсти мантенрианла
ТЭЭ и пронтенканнии тонка. Мантенрианлы ТЭЭ с принменстнной элекнтроннной и
дынрочной пронвондинмонстью понлучают ввенденнинем ленгинруюнщих донбанвок в
кринсталнлы оснновннонго понлунпронводннинка.
     

Рис. 1. Приннцинпинальнная схенма эленменнтарннонго понлунпронводннинконвонго ТЭГ

При ранбочих темнпенрантунрах Т 900 100 К ценленсонобнразнны спланвы 20-30% Ge-Si, а при Т 600 800 К - мантенрианлы на осннонве телнлунриндов и сенленниндов свиннца, виснмунта и сурьнмы. Схенма кремнниенвонго ТЭЭ понканзанна на рис. 1. Тенпнло Q1 поднвондитнся к ТЭЭ (ТЭГ) ченрез стеннку нангренвантенля 1 с понмонщью тенпнлоннонсинтенля ( нанпринмер жиднконменталнличеснконго), тенпнлонвой трунбы или при ненпонсреднстнвеннном коннтакнте с зонной тенпнлонвынденленния ренакнтонра. Ченрез стеннку 7 хонлондильннинка тенпнло Q2 отнвондитнся от ТЭГ (изнлученинем, тенпнлоннонсинтенлем или тенпнлонвой трунбой). Спаи понлунпронводннинконвых кринсталнличеснких тернмонстолнбинков 4 и 9 обнранзонванны менталнличеснкинми шиннанми 3 и 5, 8, контонрые элекнтричеснки изонлинронванны от стеннок 1 и 7 слоянми динэлекнтринка 2, 6 на осннонве окнсиндов темнпенрантур Т = Т1 -Т2. Эфнфекнтивнность ТЭГ обеснпечиванетнся сунщенстнвеннной разннонродннонстью струкнтунры ветнвей 4 и 9. Ветвь р-тинпа с дынрочной пронвондинмонстью понлучаетнся ввенденнинем в сплав Si-Ge акнцепнторнных принменсей атонмарннонго бонра В. Ветвь п-тинпа с элекнтроннной пронвондинмонстью обнранзунетнся при ленгинронваннии Si-Ge доннорннынми атонманми фоснфонра Р. Из-за понвыншеннной хинмичеснкой акнтивннонсти и манлой менханничеснкой прочноснти понлунпронводннинконвых мантенрианлов сонединненние их с шиннанми 3, 5, 8 вынполннянетнся пронслойнканми из спланва кремнний-бор. Для доснтинженния станбильнной ранбонты бантанрея ТЭЭ гернментинзинронванна менталнличеснкой каснсентой, занполнненнной арнгонном. Эфнфект Пельнтье. В понгранничной плоснконсти - спае разннонроднных понлунпронводннинков (или менталнлов) - при пронтенканнии тонка I понглонщанетнся тенпнло Qп, еснли нанправнленние тонка I совнпанданют с нанправнленнинем рензульнтинруюнщенго тенпнлонвонго понтонка ( контонрый вознник бы при пондогнренве спая). Еснли же нанправнленния тонка I и этонго понтонка пронтинвонпонложнны, Qп прониснхондит от внешнненго иснточннинка тенпнла (из нангренвантенля понтребнлянетнся донполннинтельнная энернгия) линбо из внутнреннних занпансов энернгии, еснли внешнний иснточнник отнсутнстнвунет ( в этом слунчае нанблюнданетнся охнланжнденние спая). В замкннунтой на сонпронтивнленнии Rп тернмонэлекнтринченской ценпи ТЭГ на гонрянчих спанях столнбинков ТЭ тенпнло Qп понглонщанетнся (энндонтернминченский эфнфект). Это охнланжнденние Пельнтье нандо комнпеннсинронвать донполннинтельнным поднвондом тенпнла Q п изнвне. На хонлоднных спанях тенпнло Пельнтье вынденлянетнся (экнзонтернминченский эфнфект). Вынденливншеенся тенпнло Qп ненобнхондинмо отнвондить с понмонщью внешнненго охнланжндаюнщенго устнройнстнва. Уканзаннные явнленния обунславнлинванютнся пенренраснпренденленнинем нонсинтенлей занряндов (элекнтроннов) по уровнням энернгии: при понвыншеннии среднней энернгии элекнтроннов ее изнбынток вынденлянетнся в спае. Тенпнло Пельнтье пронпорнционнальнно пенреннонсинмонму занрянду: где =( Т) - конэфнфинцинент Пельнтье Элекнтринченский ток I=dq/dt, слендонвантельнно, энернгия (за вренмя t ) а тенпнлонвая мощнность Обнрантинмость эфнфекнта Пельнтье сонстонит в том, что при пинтаннии ценпи тонком I от внешнненго иснточннинка ханракнтер тенпнлонвонго дейнстнвия I на спай можнно изнменнять ренвернсинронваннинем нанправнленния тонка . На этом осннонванно сознданние тернмонэлекнтринченских нангренвантенлей и хонлондильннинков. Понследнние именют больнше пракнтинченское знанченние. Эфнфект Томнсонна (Кельнвинна) . Эфнфект Томнсонна отннонситнся к обънемнным (линнейнным) эфнфекнтам в отнлинчие от плонсконстннонго (тончечннонго) эфнфекнта Пельнтье. при пронтенканнии тонка I по тернминченски ненодннонродннонму понлунпронводннинку (или пронводннинку) на его отнрезнке (х1,х2) с пенренпандом Т1-Т20 в слунчае совнпанденния нанправнленний тонка и грандиненнта вынденлянетнся тенпнло Томнсонна Qт (нангрев отнрезнка). При встречнных нанправнленнинях I и Т тенпнло Qт понглонщанетнся (охнланжнденние отнрезнка). Эфнфект обънясннянетнся изнменненнинем энернгии двинжунщихнся элекнтроннов при пенренменщеннии в обнласть с иным темнпенрантурнным уровннем. При ренвернсе нанправнленния I нанблюнданетнся обнрантинмость эфнфекнта Томнсонна, т.е. пенренменна экнзо- или энндонтернминченсконго ханракнтенра тенпнлонвонго дейнстнвия. Теп лонвя энернгия пронпорнционнальнна тонку I и пенренпанду Т т.е. принчем dT=|T|dx. Слендонвантельнно (для на р- и п-учанстнках), Здесь - средннее знанченние конэфнфинциненнта Томнсонна для данннонго мантенрианла. В одннонмернном слунчае |T|=dT/dx. Тенпнлонвая мощнность Конлинченстнвеннное знанченние эфнфекнта Томнсонна втонронстенпеннно. Эфнфект Зенбенка. В ценпи двух разннонроднных пронводннинков или понлунпронводннинков, спай и коннцы контонрых именют пенренпад темнпенрантур, возннинканет эленменнтарнная тернмо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС принчем средннее знанченние конэфнфинциненнта Зенбенка Эфнфект обнрантим: еснли сонотнноншенние занменнить на , то нанправнленние дейнстнвия Е меннянетнся, т.е. прониснхондит ренверс понлярннонсти ТЭЭ. Обнрантинмость эфнфекнта Зенбенка сонпронвонжнданетнся обнрантинмонстью эфнфекнта Пельнтье. Приннцип ранбонты ТЭЭ. (рис. 1). Киннентинченская энернгия элекнтроннов на коннце ценпи с вынше, чем на "хонлоднных" коннцах с Т=Т2 , слендонвантельнно, пренобнланданет дифнфунзия элекнтроннов от гонрянченго спая к хонлоднным коннцам. коннценнтранция элекнтроннов в р- и п-ветнвях разнличнна, понэтонму бонлее отнринцантельнный понтеннцинал понлунчанет коннец тернмонстолнбинка п-тинпа, по отнноншенния к контонронму коннец столнбинка р-тинпа именет понлонжинтельнный понтеннцинал. Разнность понтеннцианлов Е=Z(T1-T2) обунславнлинванет ток I ( при занмынканнии ценпи на сонпронтивнленние нангрузнки) и понлезнную элекнтринченскую мощнность Ранбонте ТЭГ сонпутнстнвунют обнрантинмые эфнфекнты. 3)Бантанреи тернмонэлекнтринченских эленменнтов. Для понлунченния в ТЭГ ханракнтерннонго нанпрянженния U30 В при ЭДС одннонго ТЭЭ Е0,10,3 В тренбунетнся понслендонвантельнно сонединнить в бантанрею принмернно N102 ТЭЭ. при занданнных разнменрах сенченния тернмонстолнбинка и уровннях тонка I нангрузнки ненобнхондинмое чиснло панралнлельнных ветнвей в бантанрее опнренденлянетнся плотннонстью тонка J=I/s10 A/см2. Для КЛА вынполннянютнся бантанреи ТЭГ мощннонстью от единниц до сонтен ватт. В СССР для станционнарнных и пенрендвижнных АЭУ сознданны РИнТЭГ сенрии "Бента" мощннонстью до 10 Вт на рандионакнтивнном изонтонпе ценрия 144Се. Плонские и цинлиннднринченские ванринаннты ТЭГ опнренденлянютнся их комнпонновнкой в блонке. Каснкаднное сонединненние ТЭГ понзвонлянет понвынсить КПД пренобнранзонванния энернгии до 0,13. В ценлях уменьншенния удельнной маснсы ТЭГ разнранбонтанны мнонгонслойнные пленночнные ТЭЭ. преднставнлянет иннтенрес сознданние в пернспекнтинве ТЭГ в винде экснпенринменнтальнных ренакнтонров-генненрантонров на банзе иннтенгральннонго иснполнненния ТЭЭ и тенпнлонвынденляюнщих эленменнтов (ТВЭЛ) из денлянщихнся сонединненний тинпа сульнфиндов уранна или тонрия, контонрые обнланданют понлунпронводннинконвынми свойнстнванми. Литература : Алиевский Б. Л. Специальные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1994г.