Термоелектричний елемент

Термоелектричний елемент, що виконаний із напівпровідникового матеріалу, який відрізняється тим, що термоелемент має форму стрижня, що складений з двох частин, які сформовані з криста лічного телуриду свинцю з протилежними типами провідності та протилежними торцями підключені до електричного кола, при цьому вказаний стрижень розміщений в корпусі-нагрівачі з можливістю теплового нагрівання всієї поверхні стрижня та створення перепаду температур між торцями стрижня. Винахід відноситься до області енергетики, зокрема до перетворення теплової енергії в електричну і може бути використаний для одержання додаткової електроенергії на теплових електростанціях та перетворювачах тепла. Відомі термоелементи для генерування електричної енергії, які містять дві гілки з різнорідних матеріалів, що з'єднані в електричне коло і два резервуари тепла. Але такі термоелектричні елементи не забезпечують високий коефіцієнт термоерс, досить складні у виготовленні, громіздкі. Конструкція таких термоелементів потребує багато матеріалу, а продуктивність роботи таких термоелементів досить низька. Термоелектричні властивості в процесі використання таких пристроїв не керуються. Найбільш близьким по технічній сутності та одержуваному результату є термоелементи, які побудовані на основі порошку напівпровідникового матеріалу шляхом його пресування та певної температурної обробки [1,2]. Для роботи таких термоелементів в режимі генерації електричної напруги до значень 25-30мВ та досягнення в них коефіцієнта термоерс величини приблизно 240мкВ/к, обидві гілки елемента з'єднуються комутаційною перемичкою і замикають на зовнішній опір, а бокову поверхню адіабатично ізолюють. Названі термоелементи не забезпечують ви сокий коефіцієнт термоерс, величина генерованої електричної напруги невисока, відсутня можливість керування термоелектричними властивостями термоелемента в процесі практичного використання пристрою. Завданням винаходу є створення на основі одного напівпровідникового матеріалу моделі термоелектричного елемента із покращеними властивостями, а саме: збільшення коефіцієнта термоерс, збільшення величини генерованої електричної напруги та можливість керування термоелектричними властивостями термоелемента в процесі практичного використання. Поставлене завдання досягається таким чином, що термоелектричний елемент, що виконаний з напівпровідникового матеріалу, згідно винаходу, відрізняється тим, що складається з двох частин, які сформовані з кристалічного телуриду свинцю з протилежними типами провідності та протилежними торцями підключені до електричного кола, а перепад температури між торцями стрижня та температура стрижня встановлюється нагрівачем, що розміщений на корпусі термоелемента. Новизна винаходу полягає в створенні на основі однієї термочутливої сполуки термоелектричного елемента із значно підвищеними термоелектричними параметрами, що піддаються керуванню лише шляхом управління тепловим оточенням CM о со 35194 ситуації, коли температура Т в верхнього торця стержня менша від температури Тн нижнього торця, термоелемент в інтервалі температур Тр=340-410°К проявляє додатній коефіцієнт термоерс величиною 500-1 ЗООмкВ/град При робочих температурах вище 500°К термоелемент проявляє від'ємну термоерс з коефіцієнтом термоерс а=-/200-600/ мкВ/град /крива 2, фіг 2/ Дія ефекту "старіння" на напівпровідниковий матеріал пропонованої моделі приводить до незначного погіршення її термоелектричних властивостей Крива З на фігурі 2 дає результати експерименту кривої 1 через 3 роки Параметри термоелементів на основі телуридів свинцю поновлюються по методиці [3] протягом 10 годин /крива 4, фіг 2/ Оскільки створювана даною конструкцією термоелемента напруга має специфічний вид залежності від теплових потоків /фіг 3, 4/, то керування величинами градієнту температур в напівпровідниковому стержні та регулювання робочої температури термоелемента керує величиною генерованої електричної напруги і, ВІДПОВІДНО, термоелектричними властивостями всього елемента Запропонована конструкція термоелемента дозволяє також протилежне розташування напівпровідникових кристалів 2 і 3 в корпусі-нагрівачі 1, а також їх геометричні розміри, що змінює величину контрольованої електричної напруги на 40-50% Таким чином, створено на основі однієї термочутливої сполуки термоелектричний елемент із значно підвищеними термоелектричними параметрами, що піддаються керуванню лише шляхом управління тепловим оточенням термоелементів у процесі практичної експлуатації, в їх здатності проявляти як додатні так і ВІД'ЄМНІ характеристики термоелектрики без зміни градієнтів температури в них Винахід може широко застосовуватися в енергетиці, на підприємствах таких, як теплові електростанції, в перетворювачах тепла тощо Джерела інформації 1 Анатичук Л І Термоелементи та термоелектричні пристрої Довідник, К "Наукова думка", 763с, 1979 2 Анатичук Л І , Семенюк В А Оптимальне керування властивостями термоелектричних матеріалів та приладів, "ПРУТ", 264с , 1992р - прототип 3 Беца В В , Попик Ю В Спосіб керування термоелектричними параметрами напівпровідника, патент України №20443 А, 1997р термоелементів у процесі практичної експлуатації, в їх здатності проявляти як додатні, так і ВІД'ЄМНІ характеристики термоелектрики без зміни градієнтів температури в них На фіг 1 показана схема конструкції термоелемента, на фіг 2 - графік температурної залежності коефіцієнта, термоерс, на фіг 3 і 4 - крива залежності напруги від теплових потоків Схема найпростішої моделі термоелемента показана на фіг 1 і представляє собою корпуснагрівач 1, всередині якого знаходиться напівпровідникова сполука у вигляді діелектрично ізольованого стрижня, сформованого притискуванням один до одного двох кристалів 2 і 3 на основі одного термочутливого матеріалу - телуриду свинцю Кожен із кристалів має протилежний тип провідності і вони розташовані так, що кристал 2 із р-типом провідності знаходиться поверх кристалу 3 з птипом провідності Обидва кристали знаходяться в тепловому контакті з нагрівачем 1 Тепловий прогрів за допомогою нагрівача 1 через поверхню всієї структури дозволяє нагрівати елемент до 750-800К і створювати необхідну різницю температур між верхом і низом напівпровідникового стрижня, що підключений до електричного кола Для випадку телуриду свинцю найбільш оптимальна різниця температур складає 15-50 градусів, що дає термоелементу можливість генерувати електричну напругу величиною до 45-80мВ і вище як додатного, так і від'ємного знаку в залежності від співвідношень між температурами верхнього і нижнього торців стержня Якщо температура Тв верхнього торця стержня перевищує температуру Т н нижнього торця стержня, то в залежності від різниці цих температур в інтервалі робочих температур Тр=(Тв+Тн)/2=300-410°К, елемент на основі телуриду свинцю проявляє від'ємний коефіцієнт термоерс а величиною /1300-1700/ мкВ/град При температурах вище 420К термоелемент без зміни градієнту температури проявляє вже додатну термоерс з коефіцієнтом а=/200-700/ мкВ/град Температурна залежність коефіцієнта термоерс термоелемента на основі телуриду свинцю для випадку кристалів РЬо 9997бТеі ооо24 /р-тип/ та РЬТе+КВг 1 мол,% /п-тип/ довжиною 9мм та діаметром 7мм показана на фіг 2, крива 1 Для робочої і / / JL «p. I 35194 -500 -20QV Фіг. 2. 50] 40 зо20 Ю € W so *&o Фіг. З І 99' ВиТС CO SV 3J0 ио чоо ХК Фіг. 4. Комп'ютерна верстка О Гапоненко Підписне Тираж 38 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул І. Кудрі, 29, м. Киів-42, МСП 01601