Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкции и технологии многосекционного термоэлемента для термоэлектрических генераторов, работающих в широкой области температур

Докладчик: Штерн Юрий Исаакович

Должность: Профессор, Руководитель ЦКП "Электронные приборы и оборудование", доцент, д.т.н.

Цель проекта:
- Разработка лабораторной технологии получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций и создание на их основе термоэлемента с повышенной эффективностью (КПД не менее 14 %) для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 °C. - Разработка метрологического обеспечения для исследований термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе. Разработка аппаратно - программных средств для проведения исследований.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов:
- Результаты анализа научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
- Программа расчета составной ветви для выбора оптимальных размеров секций термоэлектрического материала.
- Проект Лабораторного регламента получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций для термоэлемента с повышенной эффективностью для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 °C.
- Проект Лабораторного регламента на коммутацию составных ветвей термоэлемента с повышенной эффективностью (КПД не менее 14%).
- Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
- Экспериментальные образцы термоэлемента с составными ветвями.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
- Метрологическое обеспечение исследований - комплекс разработанных в рамках проекта методик и экспериментальных образцов измерительных комплексов для исследования термоэлектрических материалов и устройств:
- методика и экспериментальный образец аппаратно-программного измерительного комплекса для исследования теплового расширения термоэлектрических структур;
- методика для исследования адгезии омических контактов, барьерных слоев, коммутационных слоев;
- методика и экспериментальный образец аппаратно-программного измерительного комплекса для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе;
- методика для исследования механической прочности термоэлектрических структур и устройств;
- методика для климатических испытаний термоэлектрических устройств;
- методика и измерительный комплекс для исследования КПД термоэлементов для термоэлектрических генераторов.
- Эскизная конструкторская документация на составные ветви и термоэлемент на их основе.
- Программная документация на разрабатываемое программное обеспечение, предназначенное:
- для расчета и моделирования теплофизических свойств материалов и конструкции термоэлектрических устройств;
- для автоматизации исследований на разрабатываемых измерительных комплексах (для исследования теплового расширения термоэлектрических структур, для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе).
- Эскизная конструкторская документация на аппаратно-программные средства для функционирования разработанных методик и экспериментальных образцов аппаратно-программных измерительных комплексов.
- Проект технического задания на проведение ОКР по теме: "Разработка эффективных термоэлектрических генераторных модулей и термоэлектрических блоков на их основе, работающих в широкой области температур".

2. Основные характеристики планируемых результатов.
Составная ветвь термоэлемента должна включать в себя не менее 4 секций, каждая из которых будет изготовлена из низко- средне- и высокотемпературных материалов:
- первая секция из низкотемпературного материала (до 200 °С);
- вторая секция из среднетемпературного материала, оптимизированного для интервала (100÷400 °С);
- третья секция из среднетемпературного материала, оптимизированного для интервала (400÷700 °С);
- четвертая секция из высокотемпературного материала (600÷900 °С).
Коммутация в термоэлемент должна осуществляться с помощью металлических слоев и коммутационных шин.
Технология омических контактов должна обеспечивать удельное сопротивление от 10^(-10) до 10^(-8) Ом×м^2 .
Технология омических, барьерных и коммутационных слоев, используемых в структуре ветви, термоэлементе и термоэлектрическом модуле, должна обеспечивать адгезионную прочность не менее 90×105 Па.
Разрабатываемые методики и экспериментальные образцы аппаратно-программных измерительных комплексов должны обеспечивать следующие погрешности измерений:
- температуры от 0,05 °С до 300 °С и 0,5 °С до 900 °С;
- коэффициента термоЭДС - 3%;
- коэффициента электропроводности -3%;
- коэффициента теплопроводности -5%;
- сопротивления по переменному току - 0,1%;
- теплового расширения термоэлектрических структур - 2%;
- адгезионной прочности -3%;
- сопротивления изоляции - 2%;
- постоянного напряжения - 10^(-6) В;
- постоянного тока 10-5 А;
- влажности - 2%;
Разрабатываемое в рамках проекта программное обеспечение должно соответствовать следующим требованиям:
- Возможность функционирования программного обеспечения (ПО) как в интерактивном (запрос-ответ), так и в полностью автоматическом режимах;
- ПО должно разрабатываться на языках ASSEMBLER и С++;
- ПО должно функционировать на микроконтроллерах семейств MSP430
(Texas Instruments) или AVR (ATMEL);
- Программная реализация должна функционировать на операционной системе Windows XP, Windows 7.

В состав экспериментальных образцов аппаратно-программных комплексов должны входить следующие основные компоненты:
- измерительные приборы и технологическое оборудование;
- измерительные ячейки для проведения исследований;
- устройства для интерфейса компонентов измерительного комплекса с персональным компьютером;
- программное обеспечение для автоматизации исследований на разрабатываемых измерительных комплексах (для исследования теплового расширения термоэлектрических структур, для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе).

3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений.
- С использованием нанотехнологий будут созданы эффективные термоэлектрические материалы с рабочим диапазоном температур до 900 °С.
- Будут разработаны способы формирования тонкопленочных, контактных слоев для термоэлектрических материалов используемых во всем рабочем диапазоны температур, отличающиеся низким сопротивлением контакта, высокими антидиффузионными свойствами и повышенной адгезией.
- Будут отработаны различные технологически приемы коммутации секций в термоэлементе и ветвей термоэлемента обладающие высокими электрофизическими и механическими свойствами.
- Будет разработана конструкция многосекционного термоэлемента с использованием оптимизирующей математической модели и соответствующего программного обеспечения.
Новизна технических, технологических и аппаратно-программных решений будет подтверждена охранными документами на интеллектуальную собственность.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Запланированные результаты исследований соответствуют мировому уровню. Некоторые их них будут выполнены впервые и опубликованы в ведущих научных изданиях, в том числе за рубежом, апробированы на международных конференциях и отражены в планируемой монографии.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
В связи с многообразием предмета исследований, достижение цели данного проекта требует проведения комплексных исследований. Это связано с тем, что многосекционный термоэлемент создается на базе низко- средне и высокотемпературных материалов и структур на их основе. Поэтому необходимо разработать ряд технологий создания этих структур и провести исследования их теплофизических, электрофизических и механических свойств.
Методологическими основами проведения исследований должны быть: комплексный, научно-обоснованный подход к исследованию, моделированию теплофизических свойств материалов и структур, и статистической обработки данных, а так же использование принципов объектно-ориентированного программирования и построения высокоточных измерительных комплексов. Предлагаемые методы исследования базируются на общепринятых методиках проведения и моделирования экспериментов с использованием информационных технологий, научно обоснованы и не противоречат основным научно-практическим представлениям в данной области.
Достоверность полученных в процессе исследований результатов должна быть основана на большом объеме экспериментальных работ с использованием разнообразных современных методик, в том числе разработанных в рамках проекта, и высококлассных приборов и оборудования.
Сделанные в работе выводы должны быть научно-обоснованы и базироваться, как на достоверных экспериментальных результатах, так и на большом объеме проработанных литературных данных.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и рекомендаций должна быть также подтверждена использованием результатов работы в учебном процессе.
Для решения поставленых задач должны быть разработаны и изготовлены новые методики исследований, аппататно-программные средства и оригинальные измерительные комплексы. Таким образом, получение новых знаний, определенных рамками данного проекта, определяет получение результатов, способных к правовой охране.
Основные риски могут быть связаны с недоступностью высокочистых полупроводниковых элементов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанные и изготовленные в рамках проекта термоэлектрические устройства могут быть использованы там, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии с длительным сроком эксплуатации, не требующие обслуживания.
Возможные потребители ожидаемых результатов: производители термоэлектрических приборов и оборудования, атомная, газо-, нефтедобывающая, военная промышленность, металлургическое и химическое производство, современные энергогенерирующие станции, производители высокотехнологичных интеллектуальных систем, сенсоров и датчиков, аэрокосмической и СВЧ техники, НИИ и ВУЗы, как потребители результатов научных исследований, методических разработок, аппаратно-программных средств, метрологического обеспечения.
2. Термоэлектрические генераторы предназначены для электроснабжения удаленных потребителей в труднодоступных районах: метеостанции, маяки, устройства сейсмической разведки. Термогенераторы начали активно применяться для катодной защиты газо- и нефтепроводов от коррозии, для питания автоматики газовых буровых скважин.
Необходимо особо отметить большие перспективы для применения разрабатываемых термоэлектрических устройств в высокотехнологичных интеллектуальных системах, сенсорах и датчиках, устройствах аэрокосмической, военной, СВЧ техники, требующих использования для питания эффективных, компактных микрогенераторов.
Большую заинтересованность в применении термоэлектрических генераторов проявляют производители автомобилей, поскольку эффективность двигателей внутреннего сгорания низка - до 3/4 вырабатываемой энергии тратится впустую на разогрев. Уже сейчас использование термоэлектрических генераторов на автомобилях (например, BMW 530i) позволяет увеличить эффективность использования топлива на 15%. Перспективным является применение термоэлектрических генераторов на гибридных автомобилях, работающих как на топливе, так и на электричестве.

3. В процессе выполнения проекта будут предложены новые перспективные технологии и технические решения в области термоэлектрического приборостроения. Будут получены современные высокоэффективные приборы и аппаратно-программные средства. Учитывая стремительный рост научных исследований в области термоэлектричества, полученные в проекте результаты, будут востребованы международным научным сообществом и могут быть использованы в рамках проведения совместных проектов.
Использование термоэлектричества, как альтернативного источника энергии, позволит повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.

Текущие результаты проекта:
- Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
- Проведены патентные исследования и подготовлен патентный отчет в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
- Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.
- Проведен выбор и обоснование направлений исследований, проведение теоретических исследований, выбор оптимального варианта решения поставленных перед ПНИ задач.
- Проведено математическое моделирование с целью оптимизации конструкции многосекционного термоэлемента. Разработана математическая модель.
- Разработан алгоритм программного обеспечения для расчета составной ветви и выбора оптимальных размеров секций термоэлектрического материала.
- Разработаны методы расчета теплового расширения по аддитивной схеме и из соотношения Грюнайзена.
- Проведено математическое моделирование теплового расширения многосекционного термоэлемента.
- Разработана математическая модель для расчета теплового расширения многосекционного термоэлемента.
- Изготовлены образцы низкотемпературных термоэлектрических материалов.
- Разработаны способы получения омических контактов к низкотемпературным термоэлектрическим материалам.
- Изготовлены и исследованы омические слои к низкотемпературным материалам.
- Разработана эскизная конструкторская документация экспериментальных образцов измерительного комплекса для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе.
- Разработаны методики для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе на измерительном комплексе.
- Исследованы тепло- и электрофизические параметры низкотемпературных термоэлектрических материалов.
- Определены механизмы теплопереноса в термоэлектрических материалах.
- Разработано программное обеспечение для реализация математической модели расчета теплового расширения термоэлемента.
- Изготовлен экспериментальный образец (ЭО) измерительного комплекса для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе.
- Проведена метрологическая аттестация ЭО аппаратно-программного измерительного комплекса для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе.
- Разработана структурная схема ЭО измерительного комплекса для исследования теплового расширения термоэлектрических структур.
- Подготовлены материалы для публикаций в ведущих научных журналах.