Главная   Проекты   Солнечная энергетика   Разработка термоэлектрических генераторов на основе наноструктурированных пленок

Разработка термоэлектрических генераторов на основе наноструктурированных пленок

Разработка эффективных термоэлектрических генераторов для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на основе наноструктурированных пленок

Задача прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является весьма актуальной в современных условиях истощения природных источников топлива. В частности, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) смогли бы использовать энергию, выделяющуюся при конденсации отработанного водяного пара на тепловых электростанциях. Конденсация происходит при температурах ниже 374 °С (для воды), выделяемая при этом энергия в настоящее время никак не используется. ТЭГ могут применяться на геотермальных электростанциях, как портативные источники электроэнергии. А также для катодной защиты магистральных нефтепроводов и газопроводов от коррозии и для питания различной контрольно-регулирующей аппаратуры, используя разность температур в скважине и на воздухе или работая на природном или попутном газе. Оценки показывают, что достижение термоэлементами КПД порядка 8% в промышленных масштабах означало бы революцию в энергетике, принимая во внимание, например, большие объемы водяного пара тех же теплоэлектростанций. Использование ТЭГ для утилизации лишнего тепла на транспортных средствах позволит сократить расход топлива на 30%.

Принципиальная схема ТЭГ

Рис.2 Принципиальная схема тепло-электрического генератора

Объекты применения ТЭГ

Рис.1 Потенциальные объекты для массового применения для теплоэлектрических генераторов

Термоэлектрический эффект был открыт ещё в начале XIX века. Он заключается в возникновении электродвижущей силы в цепи из разнородных материалов, если поддерживать места контакта при разной температуре (эффект Зеебека). Уже в 1823 году были созданы первые термоэлектрические батареи. В их производстве использовались металлы и полуметаллы (медь, висмут, сурьма), на заре электричества они использовались лишь в исследовательских целях.

Термоэлектрические батареи имеют принципиальные преимущества перед другими источниками электричества:

  • Длительный срок службы без специального обслуживания.
  • Постоянная готовность к работе.
  • Отсутствие движущихся частей, т.е. бесшумная работа без механического износа.
  • Вместе с тем, эти преимущества пока не помогли термоэлектрическим генераторам занять достойное место в ряду источников электроэнергии - из-за низкого коэффициента полезного действия (КПД), который не превышал 1%.
ТГК-3

Рис.3 Один из первых массовых ТЭГ - ТГК-3

Развитие полупроводниковой техники в начале XX века возродило интерес к термоэлементам. Академиком А.Ф.Иоффе было предложено использовать в составе ТЭГ полупроводники, как вещества с более высоким, чем у металлов, коэффициентом термоЭДС и более низким коэфициентом теплопроводности. Для полупроводниковых ТЭГ были достигнуты значения КПД до 5-8%, они продолжают использоваться сейчас, например, в передвижных автономных энергетических установках, питающих труднодоступные объекты (автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. Их достоинства: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м2 (на единицу поперечного сечения элемента ), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД преобразования энергии. На рисунке 4 показаны теоретические (по формулам А.Ф.Иоффе, 1950) оценки КПД ηmax термопреобразователей: полупроводниковых, с различным удельным сопротивлением и коэфициентом термоЭДС (коэфициентом Зеебека) α = 0.15 мB/К, коэфициентом теплопроводности κ = 0.02 Bт/K*см и металлических (сплав железо-константан), в зависимости от отношения температур T1 и T0 на концах термопреобразователя.

Рис.4 Оценки КПД полупроводниковых и металлических термопар

Рис.4 Оценки КПД полупроводниковых и металлических термопар

Интересующая нас область не слишком высоких температур находится справа от вертикальной пунктирной линии. Как видно, даже для полупроводника с очень низким удельным сопротивлением ρ=10-3 Ом*см максимальный КПД термопреобразования составляет около 5%. Кроме того, низкие коэфициенты теплопроводности, необходимые для достижения возможно больших КПД полупроводниковых термопреобразователей, имеют т.н. тройные соединения (твердые расстворы), которые могут оказаться нестойкими к особым условиям окружающей среды: высоким температурам, влажности и т.п. Это затрудняет массовое использование полупроводниковых ТЭГ в тяжелых условиях как, например, для утилизации энегрии конденсации пара тепловых электростанций (см. выше). ТЭГ на основе металлов гораздо более надежны, дешевы и просты в изготовлении, чем полупроводниковые ТЭГ, но их практический КПД составляет менее 1% (см. рис.4), что связано, главным образом, с низким коэфициентом термоЭДС который, для металлов, на 1.5-2 порядка ниже, чем для полупроводников.

Коэфициент термоЭДС α определяет напряжение U, возникающее на термоэлементе, если поддерживается разность температур ΔT между его концами: U=α ΔT

Теория говорит, что для увеличения КПД термопреобразования материал должен обладать:

• возможно большим значением коэффициента термоЭДС,

• возможно меньшей теплопроводностью (особенно ее фононной частью) в направлении распространения тока.

Структура наноостровковой плёнки

Рис.5 Структура наноостровковой плёнки

Коэфициент термоЭДС

Рис.6 Коэфициент термоЭДС пары медных наноостровков, находящихся на расстоянии h друг от друга.

Наши исследования показали, что подходящими свойствами могут обладать тонкопленочные гетерогенные материалы – островковые металлические пленки на диэлектрических подложках с низкой теплопроводностью – рис.5. На рисунке 6 показана теоретическая зависимость коэфициента α термоЭДС для пары медных наноостровков, находящихся на расстоянии h друг от друга. Как видно, α для металлических наноостроков даже превышает величину ~0.1 мВ/K, храктерную для полупроводниковых термопар. Нами была разработана оригинальная методика изготовления островковых металлических структур, состоящих

  • из сплошных слоев металла различной толщины,
  • из наноостровковых металлических слоев (в том числе с толщиной менее 1 нм),
  • из комбинированных наноостровковых и сплошных металлических слоев,
  • из металлических наноостровов, разделенных диэлектрическими слоями,
  • из сплошных слоев металла и наноостровков металла, разделенных слоями диэлектрика.

Островковые структуры являются весьма гибкими в плане оптимизации их физических свойств, в т.ч. коэфициентов термоЭДС и теплопроводности. Используя подобные структуры, возможно достигнуть и превысить современные значения КПД для ТЭГ, притом, что новые материалы обладают такими преимуществами как технологичность, надежность и небольшой размер. В реализации проекта участвуют научные сотрудники и научно-технические работники института Российской Академии Наук – Физического института им П.Н.Лебедева. В распоряжении имеются необходимое оборудование и технологии производства материалов и оборудование для анализа их свойств.

Все проекты направления "Солнечная энергетика"