МИНИСТЕРСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР
внииэм
Отделение научно-технической информации, стандартизации и нормализации в электротехнике МОСКВА— 1966
ВОПРОСЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Выпуск I
СБОРНИК ПОДГОТОВЛЕН ВСЕСОЮЗНЫМ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМ ИНСТИТУТОМ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Редакционная коллегия
Главный редактор — чл.-корр. АН СССР Н. С. Лидоренко, канд. техн. наук А. Т. Белевцев (зам. главного редактора), канд. техн. наук А. М. Васильев, канд. техн. наук А. П. Л а н д с м а н, канд. техн. наук В. Ф. Лебедев, инж. С. Г. Малинин, канд. техн. наук Г. ф. Мучник, канд. физ.-мат. наук Э. Л. Нагаев, инж. С. В. Рябиков канд. техн. наук Б. В. Тарнижевский, д-р техн. наук М. А. X а н и н.
ОТ РЕДАКЦИИ
Среди перспективных проблем электротехники важное место занимают исследования и практическая реализация новых принципов генерирования электрической энергии. Особенно заманчивыми по простоте являются схемы непосредственного (безмашинного) преобразования различных видов энергии в электрическую.
В настоящий момент использование энергии угля, нефти, газа для получения электричества происходит по многоступенчатой схеме: котел — турбина — генератор. Химическая энергия топлива превращается в тепловую, которая трансформируется сначала в механическую и лишь затем — в электрическую. Прямое преобразование предусматривает непосредственное генерирование электрического тока из химически активных продуктов в электрохимических генераторах без теплового и механического циклов. Весьма перспективными являются также исследования по непосредственному преобразованию тепловой и солнечной энергии в электрическую (термоэлектрическое, термоэмиссионное и фотоэлектрическое преобразование).
Первый выпуск сборника «Вопросы прямого преобразования энергии» посвящен главным образом преобразованию солнечной и тепловой энергии на базе термоэлектрических и термоэмиссионных процессов.
В последние годы широким фронтом ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию термоэлектрогенераторов различного назначения.
Одним из принципиальных вопросов, возникающих при разработке термоэлектрических преобразователей энергии, является заданное распределение температуры в конструкции термогенератора в нестационарном тепловом режиме. Исследования нестационарных режимов работы представляют интерес особенно в тех случаях, когда необходимо знать время выхода преобразователя на режим при оценке термических напряжений, возникающих в элементах конструкции. Методике исследования термоэлектрического преобразователя энергии в нестационарном режиме работы на электронно-аналоговой машине посвящена статья Л. Т. Белевцева, А. П. Коновалова, А. С. Охотина и Ю. А. Полякова. Суммарная погрешность предлагаемой методики исследования не превосходит 5%, что можно признать вполне допустимым для инженерных расчетов.
При расчете к. п. д. термоэлектробатарей делается ряд существенных допущений, поэтому экспериментальное определение к. п. д. имеет более достоверное значение. Этот вопрос рассматривается в статье Т. С. Ахметова и Е. А. Ганина. Учитывая, что для заданных значений температуры на горячем и холодном спаях существует оптимальная величина нагрузки, соответствующая максимальному к. п. д. термоэлектробатареи, и что подбор этой нагрузки опытным путем затруднителен, авторы статьи пользовались косвенным методом. Предварительные эксперименты по определению максимального значения к.п.д. батареи термоэлектрогенераторов плоской конструкции по выбранной авторами методике дали положительные результаты.
Во многих теплофизических исследованиях возникает необходимость регистрации малых изменений температуры, в частности эту задачу необходимо решать при измерении температуропроводности импульсным методом. В статье А. П. Пятницкого, Б. Н. Егорова и Н. А. Чумичевой описывается метод регистрации малых изменений температуры, сущность которого заключается в том, что кратковременный световой импульс поглощается передней поверхностью теплоизолированного образца, вызывая тем самым рост температуры на его обратной поверхности. Зная изменение температуры на обратной поверхности во времени, можно определить коэффициент температуропроводности исследуемого материала. Указанный метод базируется на решении задачи о температурном поле в плоскопараллельной пластине. В статье рассматриваются как контактный, так и бесконтактный методы регистрации малых перепадов температур.
При создании термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей, вырабатывающих постоянные токи, весьма существенное значение имеет преобразование этих токов в переменные. В литературе описано достаточно большое количество различного рода преобразователей. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым современным преобразователям указанного типа. Этому вопросу посвящается работа А. П. Пятницкого, рассматривающего аналитические зависимости и возможность преобразования постоянного тока в переменный с удовлетворительной эффективностью.
Одним из эффективных методов уменьшения веса термоэлектрогенераторов является использование так называемых разнесенных термоэлементов. В статье Л. Л. Регельсона рассмотрено применение разнесенных термоэлементов в генераторах с большими тепловыми потоками и источником тепла, имеющим фиксированную мощность. К подобному типу генераторов относятся термоэлектрогенераторы с жидкими теплоносителями или с непосредственным обогревом от реактора, а также изотопные термоэлектрогенераторы. Автором получены результаты, достаточно точные, чтобы служить для предварительной оценки эффективности применения разнесенных термоэлементов в генераторах рассчитываемого типа. В работе показано, что применение разнесенных термоэлементов позволяет получить более благоприятную зависимость к.п.д. генератора от его веса. Однако, как справедливо утверждает автор, установить степень выигрыша от разнесения можно только в рамках полной оптимизации всей энергосистемы, в которую входит термоэлектрогенератор. Основным результатом исследования следует считать уменьшение количества полупроводникового вещества, необходимого для обеспечения данных к.п.д. и мощности. Полный вес генератора такого типа при этом несколько уменьшится (на 10-30%).
Установлено, что лучшим имитатором абсолютно черного тела является замкнутая полость с малым отверстием, через которое поступает лучистая энергия. После многократных актов поглощения и отражения лишь небольшая часть ее высвечивается вовне. О некоторых результатах исследований полостных приемников цилиндрической формы сообщается в статье В. И. Баранова и Г. Ф. Мучника. В статье рассмотрена схема падения солнечных лучей и найдено распределение энергии по поверхности цилиндрического приемника, ось которого совпадает с оптической осью зеркала-концентратора, а входное отверстие лежит в фокальной плоскости. В дополнение к аналитическим исследованиям авторами было экспериментально показано, что для каждого диаметра приемника существует вполне определенная группа полостей, имеющих наименьшую температурную неравномерность.
В последние годы возрос интерес к передаче лучистой энергии по специальным прозрачным каналам-световодам с использованием полного отражения света от стенок монокристаллов сапфира, кварца и других веществ. Определению коэффициента полезного действия светопровода методом нестационарного режима посвящена работа В. И. Баранова и Ю. А. Полякова.
Известно, что огромный поток солнечной энергии, поступающий на Землю, в настоящее время используется лишь в незначительных количествах и с очень низким коэффициентом преобразования. Между тем, современная наука располагает реальной возможностью получения электрической энергии от Солнца путем прямого преобразования с эффективностью, на четыре порядка превышающей эффективность преобразования в природном цикле (связанном с образованием органического топлива и последующим его сжиганием). Анализу перспектив использования солнечной энергии в народном хозяйстве посвящена работа Н. С. Лидоренко, Б. В. Тарнижевского и Ф. X. Набиулина. В ней рассматриваются различные пути прямого преобразования солнечной энергии и приводится описание конструкций и результаты испытания двух экспериментальных солнечных фотоэлектростанций.
Сравнительно недавно было выяснено, что высокий к. п. д. фотоэлектрического преобразователя в сочетании с повышенной чувствительностью в коротковолновой части спектра солнечного света и радиационной стойкостью может быть достигнут созданием в кремнии р—n-перехода на глубине порядка 1 мк. Однако существующий метод термоэлектрической диффузии фосфора на воздухе не позволяет получить такой р—n-переход без загрязнения вредными примесями области кремния, прилегающей к переходу, что снижает время жизни неосновных носителей тока в базовой области фотопреобразователя. В работе А. П. Ландсмана, А. К. Зайцевой и В. В. Заддэ рассмотрен метод создания р—n-перехода путем ионной бомбардировки кремния. При этом учитывается дискретность проникновения ионов в материал, а также возможность, управляя концентрацией электронов в пучке ионов и временем облучения, вводить в материал заданное количество ионов на заданную глубину. Ионный пучок, проникая через пассивирующий окисел, позволяет также создать тянущее электрическое поле вблизи поверхности и получить постоянное уменьшение напряженности этого поля к р—n-переходу.
Улучшение удельных характеристик солнечных батарей, используемых для нужд народного хозяйства, достигается за счет применения концентратов светового потока различных типов. Однако при этом рабочая температура поверхности солнечной батареи значительно повышается за счет радиационного нагрева. Используемые в настоящее время в солнечных батареях кремниевые фотоэлементы обладают относительно высоким отрицательным температурным градиентом к.п.д., поэтому при температурах выше 150° С эффективность такой батареи низка.
В работе М. В. Кагана и Я. И. Чернова приводится сравнительный анализ эффективности солнечных батарей различных полупроводниковых систем с концентраторами светового потока и определяется оптимальная степень концентрации светового потока для батарей каждого типа.
В последнее время возрос интерес к применению техники высокой и сверхвысокой частоты для измерения основных электрических параметров полупроводников. Существующие бесконтактные методы измерения удельного сопротивления в основном разделяются на индуктивные, емкостные и методы с использованием взаимодействия образца и поля СВЧ. В статье А. М. Васильева и В. В. Горбунова рассматривается бесконтактный метод измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов. Метод позволяет проводить измерения в пределах 0,01 до 10 ом-см.
В работе Л. Д. Дудкина, Р. С. Ерофеева, Э. Л. Нагаева и Т. Б. Почтаревой описана методика вычисления эффективной массы плотности состояний, в которой использованы экспериментально найденные зависимости проводимости и термо-э.д.с. от концентрации носителей. Эта методика применена для вычисления эффективной массы в сплавах кремний — германий.
Исследование электрофизических свойств полимеров и других органических веществ проводились до недавнего времени для использования их в качестве изоляционных материалов. Однако в последние годы внимание многих ученых привлекают проблемы, связанные с получением и исследованием полимеров, красителей и других видов органических соединений, обладающих особыми электрофизическими свойствами, в частности, полупроводниковыми. В сборнике помещена обзорная статья А. Н. Афанасьева, рассматривающая особенности механизма проводимости органических полупроводников.
