Библиографическое описание:

Головяшкин А. Н., Беспалов Е. С. Разработка гибкого термоэлектрического модуля на основе кремнезёмной стеклоткани и теллурида висмута (Bi2Te3) с высоким КПД // Молодой ученый. — 2015. — №11. — С. 285-289.

Тема термоэлектричества как источника энергии в связи с растущим энергопотреблением и проблемой рационального использования ресурсов стала чрезвычайно актуальной. Например, даже частичная утилизация тепла с помощью термоэлектрических преобразователей могла бы перекрыть общую мощность всех атомных электростанций [1]. С помощью термоэлектрических модулей (ТЭМ) возможно преобразование тепловой энергии в электрическую без загрязнения окружающей среды, электрификация удалённых и труднодоступных районов нашей страны. Термоэлектрические генераторы смогут стать серьезным конкурентом для других способов получения электроэнергии [2]. Для этого необходимо поднять КПД термоэлектрических генераторов с 5÷10 % до 15÷25 %, что возможно при помощи разработки полупроводниковых термоэлектрических материалов нового поколения, а также за счет конструктивных решений, повышающих удельно-весовые и мощностные характеристики. На сегодняшний день в России активно занимаются исследованиями в области термоэлектричества три компании-резидента Фонда «Сколково»: ООО «ФЕМТОИНТЕХ», ООО «СмС тензотерм Рус», ООО «Метемп» [3]. В настоящее время среднегодовой спрос мирового рынка электроэнергетики — это несколько миллионов термоэлектрических модулей, тогда как в перспективе он может достигать нескольких миллиардов [2]. Наибольшая доля экспорта термоэлектрических модулей в Россию приходится на Германию, Финляндию, республику Корею, меньшая доля рынка ТЭМ в России у Китая, США, Великобритании [4]. В рамках современной мировой конъюнктуры остро стоит вопрос импорт замещения наукоёмкой продукции, что свидетельствует об актуальности исследований в данной области.

На сегодняшнем этапе развития данного научно-конструкторского направления можно обозначить следующие проблемы:

1.                  Низкий коэффициент полезного действия термоэлектрического модуля;

2.                  Высокая стоимость материалов, используемых в термоэлектрических модулях;

3.                  Ограниченность применимости модулей на поверхностях имеющих неровности;

4.                  Узкий температурный диапазон работы термоэлектрических преобразователей, обусловленный в первую очередь электрофизическими свойствами используемых материалов [5].

Для решения данных проблем предлагается создать ТЭМ дешёвым, гибким, экологически безопасным, с широкими границами применимости. Это достигается благодаря формированию электроизоляционных плат на основе гибкой кремнезёмной стеклоткани и формированию полупроводниковых элементов на поверхности стеклоткани толстоплёночными методами с использованием полупроводниковых паст на основе соединений теллурида висмута (Bi2Te3). Для повышения герметичности о прочности ТЭМ предлагается внутренние полости заполнять гибким полиуретановым компаундом «Scotchcast2130 C» Тем самым мы получим, гибкое и дешёвое термоэлектрическое покрытие применимое для поверхностей произвольных форм и размеров. В рамках данной работы разработана методика расчёта параметров ТЭМ, что позволяет эффективно подбирать материалы и параметры конструкции в зависимости от конкретной области применения и конкретной задачи.

В качестве высокотеплопроводной электроизоляционной гибкой платы предлагается использовать кремнеземную стеклоткань. Она является хорошей заменой асбестовым изделиям, так как способна выдерживать более высокие температуры и при этом — абсолютно безопасна для людей. Кремнезёмные стеклоткани характеризуются высоким содержанием оксида кремния — порядка 90 процентов. Кремнезёмная стеклоткань предназначена для работ при высоких температурах до 1700 градусов Цельсия. Такая ткань является надежной защитой от пожаров. Кремнезёмная стеклоткань обладает отличными электроизоляционными свойствами и стойкостью к радиационным излучениям. Ткань последнего типа идеально подходит для изделий с неровной поверхностью. Это хороший диэлектрик, которому не страшны минеральные и органические кислоты, что делает возможным его применение в условиях агрессивной среды. Крупными компаниями на рынке России по производству и реализации кремнезёмных стеклотканей являются ООО «Уралбаск» г. Челябинск, ООО «Спецтехноткань» г. Красногорск, ООО «ВППК» г. Волжский [6]. Цена на кремнезёмную стеклоткань на май 2015 годы в среднем составляет 220 рублей за погонный метр. Так же нанесение полупроводниковых элементов методами толстоплёночной технологии с использованием полупроводниковых паст теллурида висмута (Bi2Te3) очень простая и дешёвая задача. Основное сырье для изготовления кремнезёмного стекла — это кварцевый песок, борный ангидрид, сульфат натрия, поташ, известняк, доломит, глинозем, магнезит, окиси свинца. Кварцевый песок содержит в составе 99,0–99,5 % кремнезема, примерно 1 % примесей. Качество стекловолокна находится в прямой зависимости от числа примесей, чем их больше, тем ниже качество стекловолокна. Кремнезёмная стеклоткань под увеличением представлена на рисунке 1 [7].

Рис. 1. Кремнезёмная стеклоткань

 

На основании вышесказанного следует заключить, что применение кремнезёмной стеклоткани как элемента конструкции ТЭМ целесообразно для решения поставленных задач.

Соединения теллурида висмута (Bi2Te3) являются основным полупроводниковым материалом в конструкции ТЭМ на данный момент времени. На его основе ТЭМ работает от источников тепла (до 300 °С). Максимальная температура работы полупроводникового материала на основе (Bi2Te3) в качестве прямого преобразователя тепловой энергии в электрическую значительно ниже, чем максимальная рабочая температура кремнезёмной стеклоткани. Но для утилизации бросового тепла в промышленности зачастую достаточно предельной температуры 250 °С. А для высокотемпературных преобразователей прорабатывается возможность применения альфа-карбида кремния (α-SiC), который может работать в достаточно широком температурном диапазоне до 900 °С.

Эффективность термоэлектрических преобразователей определяется величиной:

Которая имеет размерность обратной температуры и зависит только от электрофизических свойств материала преобразователя [8]. Чаще используют безразмерную термоэлектрическую добротность:

Где  — электропроводность материала, A — коэффициент термоэдс или коэффициент Зеебека, — теплопроводность, T — средняя рабочая температура ТЭМ (Th+Tc)/2, Th и Tc — температуры горячего и холодного спая соответственно.

Формула Иоффе свидетельствует, что при постоянном температурном градиенте производство электроэнергии будет проходить тем эффективнее, чем больше коэффициент Зеебека и меньше потери тепла в ТЭМ за счёт высокой теплопроводности и чем меньше омическое сопротивление термопары. Для того чтобы добиться высокой термоэлектрической добротности необходимо использовать низко теплопроводные и одновременно высоко электропроводные полупроводниковые материалы.

Так же термоэлектрическая добротность связана с (КПД) ТЭМ [8], что делает её очень удобным параметром для сравнения эффективности ТЭМ. На рисунке 2 представлена безразмерная температурная добротность некоторых полупроводниковых материалов.

Рис. 2. Безразмерная термоэлектрическая добротность

 

Безразмерная термоэлектрическая добротность не превышает 2 для всех полупроводниковых материалов даже при высоких температурах. Теллурид висмута имеет пиковую добротность при температурах около 400 К около ZT=1 [5]. Температура плавления теллурида висмута Tпл=853 °C, ширина запрещённой зоны Eg=0.13 эВ. Важным параметром ТЭМ является полное генерируемое напряжение:

Где N — Количество термоэлементов, сопротивление нагрузки.

Для ТЭМ с параметрами ветвей h1=h2=6.5*10–3 (м) — высота термоэлектрического полупроводникового элемента, B1=B2=40*10–3 (м) — ширина термоэлектрического полупроводникового элемента, L1=L2=40*10–3 (м) — длинна термоэлектрического полупроводникового элемента. Результаты аналитического расчёта генерируемого напряжения в зависимости от температурного градиента представлены на рисунке 3. Данные по аналитическому расчёту (КПД) ТЭМ представлены на рисунке 4.

Рис. 3. Зависимость генерируемого напряжения ТЭМ на основе (Bi2Te3) от температурного градиента между холодной и горячей стороной.

 

Рис. 4. Зависимость (КПД) ТЭМ на основе (Bi2Te3) от градиента температур между холодной и горячей стороной

 

Опираясь на результаты, полученные в ходе аналитического расчёта, заключаем, что пиковый КПД около 7 % для ТЭМ данной конструкции и на основе (Bi2Te3) достигается при температурном градиенте ∆T=170 К.

Пример возможности использования гибкого термоэлектрического покрытия в качестве теплоизоляционного покрытия промышленных труб, имеющих высокие температуры. За счёт неограниченно большой площади возможного термоэлектрического покрытия и градиенту температур порядка 100–180 °С возможно получение достаточно больших электрических мощностей. Средняя температуры воды в теплотрассах зимой порядка 90 °С, средняя зимняя температура в России — 20 °С [9], средний температурный градиент установленного на теплотрассу зимой гибкого ТЭМ будет составлять примерно ∆T=110 К. Что Обеспечит (КПД) ТЭМ на уровне 5–6 %. Пример применения гибкого термоэлектрического покрытия на основе кремнезёмной стеклоткани и теллурида висмута (Bi2Te3) для утилизации бросового тепла труб теплопроводов представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Пример применения гибкого термоэлектрического покрытия на основе кремнезёмной стеклоткани и теллурида висмута (Bi2Te3) для утилизации бросового тепла труб теплопроводов

 

В итоге получаем дешёвое и гибкое термоэлектрическое теплоизоляционное покрытие. Благодаря своей гибкости, имеющее широкие границы применимости на объектах произвольных форм и размером. С помощью, полученного термоэлектрического покрытия возможно преобразование бросового тепла крупных предприятий в электрическую энергии, что существенно повысит их рентабельность за счёт снижения переменных издержек.

 

Литература:

 

1.         А. В. Симкин, А. В. Бирюков, Н. И. Репников, О. Н. Иванов, Термоэлектричество № 3, с.86, 2013;

2.         http://sk.ru/termogeneratory-iz-skolkovo-budut-v-3-raza-effektivnee;

3.         Руссо М. В., Термоэлектричество, Полит.ру, № от 9 октября 2014, с. 22–24;

4.         Рынок термоэлектрических модулей, РосБизнесКонсалтинг, Москва, с.30, 2009;

5.         А. В. Дмитриев, И. П. Звягин, “Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов”, УФН, 180:8 (2010), 821–838;

6.         Рынок стеклоткани, Маркетинговое исследование и обзор рынка стекловолокна и изделий, Москва, 2013, с. 60;

7.         Болтон У., Конструкционные материалы, металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. Карманный справочник /Пер с анг. — М.: Додека-XXI, 2004. — 320 с. — (Карманный справочник);

8.         Иоффе А. Ф., Полупроводниковые термоэлементы, М.: Изд-во АН СССР, 1956;

9.         https://ru.wikipedia.org/wiki /климат России.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle