Термоелектричний генераторний каскадний модуль

Реферат: Термоелектричний генераторний каскадний модуль містить термоелементи n- та р-типів провідності низькотемпературного каскаду з матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb, термоелементи n- та р-типів провідності високотемпературного каскаду з матеріалів на основі РbТе та GeTeAgSbTe, міжкаскадну теплопровідну пластину, електричну комутацію термоелементів низькотемпературного та високотемпературного каскаду, теплообмінні пластини та електроізоляційні прокладки. Гілки термоелементів кожного каскаду виконані у вигляді декількох секцій з різною концентрацією носіїв заряду. UA 111445 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ГЕНЕРАТОРНИЙ КАСКАДНИЙ МОДУЛЬ UA 111445 U UA 111445 U 5 10 Корисна модель належить до термоелектричних приладів прямого перетворення теплової енергії в електричну. Запропонований модуль дозволяє підвищити ефективність термоелектричних генераторів, створених на основі таких модулів і суттєво розширити можливість їх практичного використання, зокрема в електроніці, приладобудуванні, а також в інших галузях промисловості. На сьогоднішній день в конструкціях термоелектричних генераторів, зазвичай, використовують термоелектричні модулі, гілки термоелементів яких виготовлені з однорідних термоелектричних матеріалів р- та n- типів провідності [1-3]. Коефіцієнт корисної дії (ККД) таких модулів визначається співвідношенням: 1 1  2 (1)  ZT , 4 1 де 1 - температура гарячої сторони модуля, 2 - температура холодної сторони модуля, 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1  2  , Z - добротність термоелектричних матеріалів, з яких виготовлено гілки 2 термоелементів модуля. Для термоелектричних матеріалів максимум параметра добротності Z знаходиться у відносно невеликому інтервалі температур: 30 - 300 °С для матеріалів на основі твердих розчинів Ві2Те3, 300 - 500 °С для матеріалів на основі сполук РbТе, GeTe-AgSbTe та 500 - 1000 °С - для матеріалів на основі SiGe. Відповідно максимальне значення ККД термоелектричних модулів з таких матеріалів також знаходиться в доволі вузькому діапазоні температур, що є стримуючим фактором для широкого практичного використання термоелектричних перетворювачів. Один з шляхів розширення робочого діапазону температур термоелектричних модулів полягає в розробці схем для раціонального використання підведеного тепла. Результатом практичного застосування таких схем стало створення каскадних термоелектричних модулів та модулів з секційними гілками. Оскільки кожний каскад та секція оптимізовані на свій рівень робочих температур, це дало можливість в цілому підвищити ККД термоелектричного перетворення в 1,5-2 рази [4]. В роботі [5] описано термоелектричний модуль, в якому гілки термоелементів виконано у вигляді трьох секцій: першої секції з матеріалів на основі ВІ2ТЄ3, другої і третьої - з матеріалів на основі РbТе. Недолік такої конструкції полягає в тому, що секційні гілки виготовлені методом пресування, тому має місце зниження ефективності модуля через наявність підвищеного контактного опору в місцях з'єднання секцій з різних матеріалів. Крім того такий модуль є механічно нестійким до циклічних температурних навантажень, що зв'язано з різними значеннями коефіцієнтів теплового розширення телуриду вісмуту і телуриду свинцю. Ще одним недоліком секційної конструкції є складність в досягненні електричної узгодженості секцій. В даному випадку узгодженість по електричному струму досягається тільки зміною висоти секцій гілок. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є термоелектричний генераторний модуль каскадної конструкції, описаний в [6]. Пристрій складається з термоелементів низькотемпературного каскаду, термоелементів високотемпературного каскаду та теплопровідної міжкаскадної пластини. Гілки термоелементів низькотемпературного каскаду виготовлені з однорідних матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb n- та р- типів провідності, а вітки термоелементів високотемпературного каскаду з однорідних матеріалів на основі РbТе n-типу провідності та GeTe-AgSbTe р-типу провідності. В порівнянні з термоелектричними модулями, де застосовано секційну конструкцію гілок такий каскадний модуль володіє значно нижчими контактними опорами, кращою механічною міцністю та простішою технологією виготовлення. Крім того електрична узгодженість каскадів досягається як зміною висоти, так і поперечного перерізу та кількості гілок. Максимальне значення ККД заявленого каскадного модуля складає ~11,5 % при температурі 500 °С на гарячій стороні та 30 °С на холодній стороні модуля. Незважаючи на ряд позитивних властивостей каскадної конструкції, подальше збільшення ефективності термоелектричного перетворення пов'язане наразі з створенням термоелектричних модулів з наноструктурних матеріалів [7]. Однак широке впровадження таких модулів є на сьогодні економічно невигідним через високу вартість та недосконалість технологій їх виготовлення. Тому в цих умовах актуальним є створення нових конструкцій для підвищення ефективності термоелектричного каскадного генераторного модуля. Поставлена задача розв'язується тим, що у термоелектричному генераторному каскадному модулі, який містить термоелементи n- та р-типів провідності низькотемпературного каскаду з  1 UA 111445 U 5 10 15 20 25 30 35 40 матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb, термоелементи nта р-типів провідності високотемпературного каскаду з матеріалів на основі РbТе та GeTe-AgSbTe, міжкаскадну теплопровідну пластину, електричну комутацію термоелементів низькотемпературного та високотемпературного каскаду, теплообмінні пластини та електроізоляційні прокладки, гілки термоелементів кожного каскаду виконані у вигляді декількох секцій з різною концентрацією носіїв заряду. У корисній моделі запропоновано нове рішення, яке полягає в тому, що у термоелектричному генераторному каскадному модулі, який містить термоелементи n- та ртипів провідності низькотемпературного каскаду з матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb, термоелементи n- та р-типів провідності високотемпературного каскаду з матеріалів на основі РbТе та GeTe-AgSbTe, міжкаскадну теплопровідну пластину, електричну комутацію термоелементів низькотемпературного та високотемпературного каскаду, теплообмінні пластини та електроізоляційні прокладки, гілки термоелементів кожного каскаду виконані у вигляді декількох секцій з різною концентрацією носіїв заряду. Суть корисної пояснюється кресленнями. На фіг. 1. та фіг. 2 наведено зовнішній вигляд та вертикальний переріз термоелектричного генераторного каскадного модуля. Запропонований модуль складається з ряду термоелементів низькотемпературного каскаду 1, високотемпературного каскаду 2 і міжкаскадної теплопровідної пластини 3. Каскади сполучені між собою послідовно в електричне коло комутуючою шиною 4. Для під'єднання споживача електричної енергії або комутації модулів у батареї електричні контакти 5 виведено за межі модуля. Гілки термоелементів обох каскадів виконано у вигляді двох секцій з різною концентрацією носіїв заряду, причому для гілок 6, 7 n- і р-типів провідності низькотемпературного каскаду використано термоелектричний матеріал на основі Bi-Te-Se-Sb, для віток 8 n-типу провідності і гілок 9 р-типу провідності високотемпературного каскаду матеріали на основі РbТе і GeTeAgSbTe відповідно. Комутацію гілок термоелементів здійснено електрокомутуючими пластинами 10, що з однієї сторони сполучені з торцями гілок, а з іншої мають тепловий контакт з теплообмінними пластинами 12, і електрокомутуючими пластинами 11, що з однієї сторони сполучені з торцями гілок, а з іншої перебувають в тепловому контакті з міжкаскадною пластиною і електрично від неї ізольовані прокладками 13. Запропонований термоелектричний модуль працює аналогічно відомим генераторним модулям. Внаслідок нагріву верхньої та охолодження нижньої теплообмінних пластин з термоелементів модуля знімають різницю потенціалів. Розрахунки показали, що максимальне значення ККД заявленого модуля в інтервалі робочих температур 500-30 °С складає 14 %, що в 1,2 рази перевищує ККД каскадного модуля, де використано гілки з однорідних термоелектричних матеріалів. В табл. представлено оптимальні концентрації N носіїв заряду в матеріалах секцій низькотемпературного та високотемпературного каскадів, за яких ККД заявленого модуля є максимальним. Таблиця Оптимальні концентрації носіїв заряду Каскад Вітка n-тип низькотемпературний р-тип n-тип високотемпературний р-тип 45 Секція перша друга перша друга перша друга перша друга Матеріал (Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05 (Bi2Te3)0.25(Sb2Te3)0.72(SbSe3)0.03 РbТе GeTe-AgSbTe -3 N, см 19 10 19 6·10 19 10 20 10 19 0,8·10 19 1,5·10 21 3,4·10 21 3,5·10 Оптимальна концентрація носіїв заряду у секціях гілок термоелементів низькотемпературного каскаду досягається відповідною концентрацією легуючих домішок: йоду для матеріалу на основі Bi-Te-Se-Sb n-типу провідності і свинцю для матеріалу на основі Bi-TeSe-Sb р-типу провідності. 2 UA 111445 U 5 10 15 20 25 Оптимальна концентрація носіїв заряду у секціях гілок термоелементів високотемпературного каскаду досягається відповідною концентрацією легуючої домішки РbІ2 для матеріалу на основі РbТе n-типу провідності та вибором стехіометричного складу матеріалу на основі GeTe-AgSbTe р-типу провідності. Запропонований термоелектричний модуль дозволяє підвищити ефективність термоелектричного перетворення енергії і розширити можливість практичного застосування термоелектричних генераторів. Література 1. Пат. № 2237096 (RU), МПК H01L 35/28. Термоэлектрический модуль (варианты) / Гришин В.И., Маэва Т.Н - Опубл. 27.12.2014. 2. Pat. № 4211889A (US), H01V 1/15, Pub. Date 8.07.1980. Thermoelectric module / William E. Kortier, John J. Mullier, Philips E. Eggers. 3. Pat. № 2013/0061901 Al (US), H01L 35/32, H01L 35/14, H01L 35/34, Pub. Date 14.03.2013. Thermoelectric converting module and manufacturing method thereof / Tomotake Tohei, Shinichi Fujiwara, Takahiro Jinushi, Zenzo Ishijima. 4. Вихор Л.М., Михайловський В.Я., Мочернюк P.M. Оптимізація матеріалів та оцінка характеристик генераторних модулів для рекуператорів тепла. Фізика і хімія твердого тіла 2014. с.206-213. 5. Pat. № 2010/0229911 Al (US), H01L 35/20, Pub. Date 16.09.2010. High temperature, hieh efficiency thermoelectric module / Frederic A. Leavitt, Norbert B. Eisner, John C. Bass, John W. McCoy. 6. Михайловський В.Я., Білинський-Слотило В.Р. Термоелектричні каскадні модулі з матеріалів на основі Bi2Te3-PbTe-TAGS.Термоелектрика 2012. с.67-75. 7. Pat. № 2012/0153240 Al (US), Н01В 1/06, H01B 1/00. B02C 23/18, B82Y 99/00 , Pub. Date 21.06.2012. Scalable nanostructured thermoelectric material with high ZT / Wei Luo, Zhigang Lin. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Термоелектричний генераторний каскадний модуль, що містить термоелементи n- та р-типів провідності низькотемпературного каскаду з матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb, термоелементи n- та р-типів провідності високотемпературного каскаду з матеріалів на основі РbТе та GeTeAgSbTe, міжкаскадну теплопровідну пластину, електричну комутацію термоелементів низькотемпературного та високотемпературного каскаду, теплообмінні пластини та електроізоляційні прокладки, який відрізняється тим, що гілки термоелементів кожного каскаду виконані у вигляді декількох секцій з різною концентрацією носіїв заряду. 3 UA 111445 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4