: 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 Rн 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.