Стартовая >> Архив >> Вопросы прямого преобразования энергии

Применение разнесенных термоэлементов для уменьшения веса - Вопросы прямого преобразования энергии

Оглавление
Вопросы прямого преобразования энергии
Методика исследования термоэлектрического преобразователя энергии
Метод  определения максимального кпд термоэлектробатарей плоской конструкции
Метод регистрации малых изменений температуры
Применение разнесенных термоэлементов для уменьшения веса
Преобразование больших постоянных токов в переменные
Радиоизотопные термоэлектрические источники энергии
К созданию полостного высокотемпературного приемника солнечного излучения
Определение кпд светопровода методом нестационарного режима
Перспективы использования солнечных энергетических установок
Исследование возможности создания кремниевых фотопреобразователей с р-n-переходом
Энергетические характеристики фотопреобразователей
Об особенностях механизма проводимости органических полупроводников

Л. Л. РЕГЕЛЬСОН
ПРИМЕНЕНИЕ РАЗНЕСЕННЫХ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЕСА ТЕРМОГЕНЕРАТОРОВ
Во многих случаях применения термогенераторов (ТЭГ) большое значение имеет не только к.п.д., но и вес конструкции. Одним из эффективных методов уменьшения веса является использование так называемых разнесенных термоэлементов, в которых между слоями полупроводника имеются промежутки, заполненные термоизоляцией (рис. 1). В последнее время такие термоэлементы получили широкое распространение в американских конструкциях термогенераторов. В отечественных изделиях они до настоящего времени не применялись.
термогенератор

Рис. 1. ТЭГ с разнесенными термоэлементами.
1— чехол для жидкого теплоносителя; 2 — электроизоляция; 3 — коммутация; 4 — термослой

Для того, чтобы обеспечить внедрение разнесенных термоэлементов в конструкции термоэлектрических устройств, необходимо выяснить область их применимости, эффективность и получить формулы, удобные для инженерных расчетов. В данной статье решена часть этой задачи — рассмотрено применение разнесенных термоэлементов для ТЭГ с большими тепловыми потоками и источником тепла фиксированной мощности. К этому типу относятся ТЭГ с жидкими теплоносителями или с непосредственным обогревом от реактора, а также изотопный ТЭГ. Полученные результаты являются приближенными и не учитывают многих факторов, но достаточно точны, чтобы служить для предварительной оценки эффективности применения разнесенных термоэлементов в ТЭГ рассматриваемого типа.

Точный расчет с учетом всех факторов более рационально производить с помощью цифровых машин, однако для использования счетных машин необходимо предварительное исследование, обеспечивающее правильную постановку задачи.
Из имеющихся публикаций по вопросу о разнесенных термоэлементах можно указать только на работы Керра [1]. Его исследования, однако, относятся лишь к одному специальному виду ТЭГ (с обогревом жидким теплоносителем от реактора и охлаждением непосредственным излучением в вакуум). Используя разнесенные термоэлементы. Керр стремился к увеличению излучающей поверхности и теплового потока через термослой. Мы рассматриваем применение этих термоэлементов для уменьшения нежелательных перепадов температур при наличии эффективного теплосъема на холодной стороне. Поэтому результаты Керра не могли быть использованы в данной статье.

Основная идея разнесения

Одной из наиболее трудных задач при конструировании ТЭГ является подвод и отвод тепла от термоэлектрического слоя. Вес термоматериала GM, необходимый для обеспечения заданной мощности, резко уменьшается по мере возрастания теплового потока q1 через термоэлектрический слой (Gm≈1/q12). Однако при возрастании qx неизбежно увеличиваются нежелательные перепады температур в теплопроводящем «пироге»: теплоноситель— чехол — электроизоляция — коммутация, что приводит к уменьшению к. п. д. ТЭГ. Особенно большие нежелательные перепады возникают на контактах между слоями и в электроизоляции. Требования высокой прочности соединений, согласованных коэффициентов теплового расширения и надежной электрической изоляции чрезвычайно усложняют задачу уменьшения теплового сопротивления «пирога». По-видимому, в течение долгого времени при конструировании ТЭГ некоторых типов придется мириться с наличием нежелательных перепадов, составляющих значительную величину (до 30% от полного перепада). При заданных температурах теплоносителей и мощности источника тепла с уменьшением высоты термослоя h0 тепловой поток возрастает. Это сопровождается уменьшением площади, веса и к. п. д. ТЭГ. При расчетах ТЭГ необходимо построить график зависимости его к. п. д. от веса и выбрать на графике определенную точку, оптимальную для энергосистемы в целом (с источником тепла и радиатором).
Указанная трудность — возрастание нежелательных перепадов при уменьшении высоты термослоя и увеличении теплового потока—значительно смягчается при применении разнесенных термоэлементов.

При этом площадь поперечного сечения «пирога» S в направлении, перпендикулярном тепловому потоку, оказывается большей, чем площадь поперечного сечения термослоя S1. Тепловой поток через единицу площади «пирога» в среднем меньше, чем поток через единицу площади термослоя. Следовательно, нежелательные перепады на «пироге» становятся меньше, чем в ТЭГ с неразнесенными термоэлементами.
Уменьшая поперечное сечение и высоту термослоя, можно уменьшить вес ТЭГ (за счет веса термоматериала), сохранив его к. п. д. и полное тепловое сопротивление. Применение разнесенных термоэлементов позволяет получить более благоприятную зависимость к. п.д. ТЭГ от его веса.

Из (16) видно, что относительное уменьшение веса при разнесении с сохранением к. п. д. ω зависит только от параметра а, входящего в f, и (что наиболее существенно) от величины G0M/G0K. Разнесение приводит к значительному уменьшению веса термоматериала и в то же время к небольшому увеличению веса конструкции (GK~S~f). Поэтому, чем большую часть веса неразнесенного ТЭГ составляет вес термоматериала, тем значительнее уменьшение веса при разнесении с сохранением к. п. д.
Параметр b входит в (16) только через G0, поэтому для нахождения величин Копт и Gмин достаточно построить кривые G(k)/G0 с двумя параметрами (ε и а). При вычисленных непосредственно по формуле (7) пришлось бы строить кривые с тремя параметрами (ω, b и а), что привело бы к значительному усложнению вычислений.
После того, как построены кривые  Копт (ε, а) и Gмин (ε, a)/G0 можно, используя зависимости ε (ω, b) и G0 (ω, b), построить кривые Копт (ω, b, а) и Gмин (ω, b,а).

Рис. 4. Кривые зависимости относительного к. п. д. ω  от веса G термогенераторов при b= 0,15
1 — неразнесенный ТЭГ; 2 — а= 1; Копт=1,1; 3— а=5;
Κопт=1,15; 4— а=10, Копт= 1,3; 5 - а=60; Копт=1,5


Рис. 6. Кривые зависимости относительного к. п. д. ω от веса G термогенераторов при b = 0,5
1 — неразнесенный ТЭГ; 2 — а= 1; Kопт= 1,2; 3—а=5; Kопт =1,3; 4 — а=10; Копт = 1,5; 5-а=60; Копт=1,8
Кривые ω (Gмин) для различных значений параметров а и b представлены на рис. 4, 5 и 6. При построениях кривых взяты следующие исходные характеристики неразнесенного ТЭГ: b= 0,15, ω=0,8,
G0=100/кг. Величина с, равная предельному значению веса G0 при ω->0, для данного случая составляет 12 кг. Все результаты могут быть легко пересчитаны для любых других исходных характеристик.

Обсуждение результатов

Как видно из рис. 4, 5 и 6, применение разнесенных термоэлементов улучшает зависимость к. п. д. ТЭГ от его веса. Однако точно оценить степень выигрыша от разнесения можно только в рамках полной оптимизации всей энергосистемы, в которую входит ТЭГ, включая источник тепла и радиатор. Поскольку здесь рассматривается ТЭГ изолированно, то для приближенной оценки нужно исходить из того, что оптимальные ω и G. должны выбираться в той области, где происходит резкое уменьшение наклона кривой со (G).
Если проследить изменение со и G вдоль пунктирных прямых, то можно видеть, что разнесение обеспечивает уменьшение веса ТЭГ на 10—30% при возрастании к. п. д. на 2—6% от исходного значения, в зависимости от значений параметров а и b (а — параметр, выражающий геометрическую форму термостолбиков (11); b — параметр, определяемый долей веса термоматериала в полном весе исходного ТЭГ и долей нежелательного перепада температур в полном перепаде (8). К выводу о возрастании к. п. д. следует отнестись критически, поскольку не учитывалось возрастание некоторых потерь при разнесении. Основные факторы, вызывающие возрастание потерь при разнесении, следующие:

  1. появление нежелательных тепловых потоков через термоизоляцию между термоэлементами;
  2. увеличение электрического сопротивления коммутации;
  3. увеличение тепловых потерь вследствие небольшого возрастания площади ТЭГ при разнесении.

Наиболее значительным, по-видимому, является первый фактор. Поскольку термоизоляция представляет собой тепловое сопротивление, параллельное термослою, то нетрудно установить, что уменьшение к.п.д. равно

где ω' — к. п. д. с учетом тепловых потоков через термоизоляцию;
λ2 и λ1 — теплопроводности термоизоляции и термоматериала; k — коэффициент разнесения.
Например, при λ2/λ1=0,05 и а — 5 потери составляют 1,5— 3% (b=0,15—0,5).
Электрические потери в материале коммутации обычно невелики, их возрастание мало скажется на к. п. д. ТЭГ. С этими потерями можно бороться путем уменьшения поперечного сечения термоэлементов и увеличения числа последовательно соединенных термоэлементов при той же площади ТЭГ. Это приводит к уменьшению относительного электрического сопротивления коммутации. Сопротивление же в контактах, составляющее основную часть нежелательных электросопротивлений, не изменяется при разнесении.
Увеличение площади ТЭГ при разнесении и возрастание различных боковых потерь тепла, мощности насоса и т. д., пропорциональные функции f, очень незначительны.

Выводы

  1. Применение разнесенных термоэлементов возможно при любых параметрах ТЭГ. Основной результат разнесения состоит в резком уменьшении количества полупроводникового термоматериала, необходимого для обеспечения данного к.п.д. и мощности. Полный вес ТЭГ при этом также несколько уменьшается (на 10—30%).
  2. Эффективность разнесения тем больше, чем больше доля нежелательных перепадов температур в полном перепаде и чем большая доля веса ТЭГ принадлежит весу полупроводникового термоматериала.
  3. Эффективность разнесения возрастает с увеличением отношения толщины теплопроводящего «пирога» (чехол — электроизоляция— коммутация) к ширине полупроводникового полу- элемента.
  4. Для того чтобы избежать уменьшения к. п. д. ТЭГ при разнесении, необходимо обеспечить достаточно хорошую термоизоляцию в зазорах между термоэлементами. При отношении удельных теплопроводностей термоизоляции и термоматериала, равной 1/20, можно гарантировать сохранение или незначительное возрастание к.п.д. ТЭГ во всех практически важных случаях.

Разнесенные термоэлементы могут найти широкое распространение в конструкциях ТЭГ. Для окончательных выводов об эффективности разнесения необходимо рассмотрение разнесения в рамках полной оптимизации энергосистемы, в которую входит ТЭГ, с применением цифровых машин.
Необходима также тщательная экспериментальная проверка результатов. Последняя задача упрощается тем, что разнесение может быть произведено без каких-либо серьезных технологических усложнений. Представляет интерес развитие методов расчета тепловых и электрических полей в областях сложной формы, возникающих при разнесении, а также рассмотрение термоэлектрических явлений при неодномерных тепловых потоках.



 
« Антикоррозионная защита полимерными порошковыми материалами   Вопросы эффективности производства и качества работы »
электрические сети