ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КАСКАДНЫХ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КАСКАДНЫХ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Зависимость КПД термоэлемента от температуры горячей стороны для различного количества каскадов

risку23у6

ЦЕЛЬ

  1. Достижение КПД преобразования тепловой энергии в электрическую на термоэлектрических модулях до 12-16%
  2. Разработка технологии изготовления термоэлектрических герметизированных генераторных модулей со сроком службы не менее 20 лет с использованием каскадных термоэлементов и объемных нанокристаллических термоэлектрических материалов максимальной термоэлектрической добротности.
  3. Повышение температуры эксплуатации термоэлектрического модуля по горячей стороне до 1000 К.
  4. Разработка высокоэффективных каскадных термоэлементов с использованием наноструктурированных антидиффузионных барьерных слоев.

АКТУАЛЬНОСТЬ

  • На сегодняшний момент существуют технологии изготовления термоэлектрических герметизированных генераторных модулей с использованием в качестве рабочего вещества термоэлектрических материалов, получаемых методами экструзии, резки кристаллов или горячего прессования.
  • Проделано большое количество научно-исследовательских работ, том числе и в России, показывающих, что при помощи наноструктурирования достоверно можно существенно улучшить добротность термоэлектрического материала (на 15-30%).
  • Ведущие технологические компании, работающие в области термоэлектричества, обратили внимание на эти исследования и пытаются создать технологию изготовления модулей на основе наноструктурированных материалов.
  • Достигаемые в лабораториях при каскадировании ветвей термоэлектрических элементов величины КПД преобразования – до 12%.
  • Современные технологии напыления позволяют уменьшить потери на тепловых и электрических контактах в коммутационных слоях и антидиффузионных барьерах. В существующих же серийных термоэлектрических модулях такие потери составляют 15-20% от эффективности термоэлектрического вещества.

ВЫВОД: при каскадировании и наноструктурировании ветвей

возможно достижение КПД преобразования тепловой энергии в

электрическую для термоэлектрических модулей с температурой

эксплуатации горячей стороны 1000 К — 12-16%.

ОБОСНОВАНИЕ КАСКАДИРОВАНИЯ

Существующие серийные генераторные термоэлектрические модули имеют в своем составе низкотемпературные либо среднетемпературные термоэлектрические материалы.

Недостатки: малая разница температур для низкотемпературных модулей и невозможность соблюсти оптимальное легирование для всего диапазона рабочих температур в случае среднетемпературных модулей.

КПД преобразования тепловой энергии в электрическую пропорционально разности температур на термоэлектрическом веществе. Тх – температура холодной стороны, Тг – температура горячей стороны термоэлектрического элемента:

КПД ~1-ТХГ

Предлагаемый переход к каскадным термоэлектрическим элементам, в состав которых входят и низкотемпературные, и среднетемпературные материалы с оптимизированным под весь диапазон температур легированием, позволяет существенно повысить КПД преобразования. В таком элементе каждый материал работает в выгодном именно для него температурном режиме, при максимальной добротности. Разность температур на таком каскадном термоэлементе выше, чем у существующих серийных преобразователей.    

 

Наноструктурирование

G.A. Slack. In CRC Handbook of Thermoelectrics — 1995.

Концепция фононного стекла – электрического кристалла

Основной инструмент наноструктуирования для технологического применения в термоэлектричестве сегодня – это «фононная инженерия», позволяющая создавать узкозонные полупроводники с очень низкой теплопроводностью за счёт разделения структурных фрагментов на наноуровне.

Показатель качества термоэлектрического материала, его добротность:

Существенное снижение теплопроводности материала достижимо при псевдоаморфной структуре кристаллического полупроводника.

Большое количество границ в объемном нанокристаллическом веществе эффективно рассеивает фононы.

В такой структуре туннелирование электронов между наноразмерными кристаллами возможно, а фононов затруднительно.

Получаем существенное снижение теплопроводности материала при малом снижении его электропроводности => Z возрастает.

 

Наиболее распространенные методы получения объемных нанокристаллических термоэлектрических веществ

  • измельчение кристаллов в шаровой мельнице до нанопорошка
  • компактирование методом горячего прессования
  • компактирование SPS-методом (искровое плазменное спекание)
  • компактирование методом экструзии

Для объемных нанокристаллических веществ на основе теллуридов висмута наблюдается увеличение ZT на 10-30%!

 

НОВИЗНА ПРОЕКТА

НАНОСТРУКТУРЫ

  • Среднетемпературных термоэлектрических материалов
  • Антидиффузионных барьеров
  • Тепловых переходов на электроизолирующих керамических покрытия

ТЕХНОЛОГИИ

  • Совместное компактирование методом SPS каскадных термоэлектрических элементов, антидиффузионных барьеров и коммутационных шин

КПД

  • КПД преобразования тепловой энергии в электрическую опытного образца 12-15%