Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии формирования и оптимизация архитектуры термоэлемента для термоэлектрических генераторов, работающих в широкой области температур

Докладчик: Освенский Владимир Борисович

Должность: Зав. лаборатории

Цель проекта:
В мире происходит постоянное возрастание потребности в электроэнергии, основная доля которой производится за счет сжигания органического топлива (прежде всего нефти), запасы которого на земле ограничены. При этом две трети вырабатываемой энергии теря-ется в виде неиспользуемого бросового тепла (например, только 35% энергии, произведен-ной на тепловой электростанции, доходит до потребителей, а КПД автомобиля состав-ляет 20%). Мировым энергетическим сообществом определены основные ориентиры развития энергетики: опережающее развитие альтернативной энергетики, использование возобнов-ляемых энергоресурсов, принципиальная роль термоэлектрических генераторов (ТЭГ) для малой и большой энергетики, повышение энергоэффективности. Проблема, связанная с практически неограниченным сжиганием углеводородного то-плива, имеет два аспекта: чисто энергетический и экологический, поскольку отходящее бросовое тепло не только препятствует энергосбережению и снижает энергетическую эф-фективность, но и приводит к тепловому загрязнению окружающей среды. Идеальным решением является хотя бы частичный возврат потерянного бросового тепла в энер-гетическую систему. Это возможно за счет прямого термоэлектрического преобразо-вания этого тепла в электроэнергию. Использование термоэлектрического преобразования позволяет решать одновременно оба указанных выше аспекта проблемы. ТЭГ являются альтернативными, по сути возобновляемыми, источниками электроэнергии. Принципиаль-ным преимуществом ТЭГ по сравнению с используемыми ВИЭ является то, что ТЭГ не только сами экологически чистые, но и существенно снижают тепловое и химическое за-грязнение окружающей среды, уменьшая количество бесполезно сжигаемого топлива. При этом каждый килограмм сэкономленного топлива сокращает выбросы СО2 в атмосферу на 3,2 кг. Одним из способов использования этого бросового тепла является его прямое преобразование в электричество с помощью термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Термоэлектрический генератор является тепловой машиной, состоящей из полупроводниковых ветвей p- и n-типов проводимости, которые последовательно соединены между собой. В качестве рабочего тела в термоэлектрическом генераторе выступает электронный газ, что приводит к отсутствию движущихся частей и, как следствие этого, к высокой надежности, позволяющей генератору работать десятилетиями без всякого технического обслуживания. Использование ТЭГ в качестве альтернативных возобновляемых источников электроэнергии позволяет снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. К числу недостатков термоэлектрического генератора следует отнести его низкий КПД- η. Максимальная эффективность устройства может быть записана в виде где ТГ – температура горячей стороны, ТХ – температура холодной стороны, (ZTсредн) – среднее значение безразмерной термоэлектрической эффективности для рабочего температурного диапазона (от ТХ до ТГ). Первый множитель формулы представляет из себя КПД цикла Карно, а второй термоэлектрический фактор материала, который обычно в несколько раз меньше единицы. Относительно низкий КПД термоэлектрического генератора сдерживает широкое использование ТЭГ в современной технике. Повышение эффективности термоэлектрического преобразования энергии является ключевой проблемой в термоэлектрическом материаловедении. КПД ТЭГ определяется величиной добротности термоэлектрического материала ZT и шириной рабочего диапазона температур (ТГ –ТХ), где ТГ и ТХ температура соответственно горячей и холодной сторон термоэлемента. Наиболее эффективным способом повышения КПД является создание составных ветвей термоэлемента, работающих в широкой области температур и использование наноструктурирования для повышения термоэлектрической добротности термоэлектрических материалов, которое является магистральным путем развития термоэлектрического материаловедения. Этим определяется безусловная актуальность предлагаемой ПНИ. Цель проекта: Разработка унифицированной технологии получения составных ветвей из наноструктурированных низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов различного состава и создание на их основе генераторного термоэлемента с повышенной эффективностью (КПД не менее 14 %) для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 °C.

Основные планируемые результаты проекта:
Разработка направлена на создание термоэлектрического элемента, предназначенного для работы в широком диапазоне температур (от комнатной до 900 °C) и имеющего исключительно высокий коэффициент полезного действия – не менее 14 %. КПД является основной характеристикой эффективности преобразования тепла в электроэнергию и потенциально определяет КПД термоэлектрического генератора (ТЭГ).
Научная новизна работы определяется тем, что впервые будет разработана унифицированная технология получения составных ветвей термоэлементов с использованием наноструктурированных низко- средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов методом искрового плазменного спекания с одновременным формированием компенсационных и антидиффузионных прослоек между различными секциями. Будет также впервые разработана универсальная система коммутации составных ветвей в термоэлемент. Предлагаемая инновационная технология позволит повысить эффективность термобатареи до значений, обусловленных эффективностью используемых термоэлектрических материалов. Разрабатываемый метод получения составной ветви для рабочего диапазона от комнатной до 900 оС в одном процессе является новым и уникальным. Подобная технология в России и в мире в настоящее время отсутствует.

Задачи ПНИ и возможные пути их решения:
 Многосекционная термоэлектрическая ветвь является сложным объектом, архитектуру которого, т.е. размеры всех секций, необходимо рассчитать для обеспечения оптимальной работы каждой секции. Поэтому, прежде всего, необходимо разработать соответствующие расчетные программы, позволяющие выполнить теоретические расчеты и сравнить результаты расчета с экспериментом.
 Предполагается для формирования составных ветвей в качестве основного использовать метод искрового плазменного спекания. Будет также исследована возможность использования для этих целей метода горячего прессования.
 Для искрового плазменного спекания различных секций необходимо разработать конструкцию матрицы пресс-формы, обеспечивающую прессование материалов, сильно отличающихся по температуре спекания. Моделирование процессов спекания и способы создания градиента температур в области спекания предполагается осуществить расчетным путем, провести сравнение расчетов с экспериментом, и исходя из условий, необходимых для спекания, выполнять процесс в пресс-форме, имеющей близкую к расчетной конфигурацию.
 Многосекционность ветви может потребовать создания демпфирующих и/или антидиффузионных прослоек между соседними секциями. Необходимо выполнить подбор материалов для таких прослоек, и разработать методики их спекания с материалом секций.
 Необходимо разработать универсальную систему коммутации ветвей термоэлементов, позволяющую коммутировать составную ветвь, состоящую из секций любого состава. Предполагается использовать для этой цели плазменное нанесение металлических слоев на ветви термоэлементов. Необходимо подобрать условия и режимы нанесения таким образом, чтобы воздействие на саму многосекционную ветвь было минимальным.

Оценка рисков решения ПНИ:

1) Отсутствие исследовательского или технологического оборудования требуемого класса или длительные сроки его изготовления.
2) Сокращение объемов бюджетного финансирования в процессе выполнения проекта.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Объект разработки - термоэлемент, согласно карте областей спроса, относится к разделу «производство и эффективное использование энергии». Основными тенденциями развития современной энергетики в мире являются опережающее развитие альтернативной энергетики, использование возобновляемых энергоресурсов, повышение энергоэффективности. ТЭГ являются альтернативными, по сути возобновляемыми, источниками электроэнергии. Две трети вырабатываемой в мире энергии теряется в виде неиспользуемого бросового тепла. Обилие реальных источников неиспользуемого бросового тепла как техногенного, так и природного происхождения представляет огромный потенциал для его термоэлектрического преобразования в электроэнергию. Однако соответствующее этому потенциалу расширение областей использования термоэлектричества в современной энергетике сдерживается низкой добротностью ZT используемых на практике генераторных термоэлектрических материалов. Ключевой задачей является повышение ZT за счет разработки и использования наноструктурных термоэлектриков, эффективных в различных температурных диапазонах. Термоэлемент является рабочей частью ТЭГ.
Областями применения ТЭГ являются: авиационно-космическая техника, автомобильная промышленность, нефтегазовый комплексе, атомная промышленность, ТЭЦ, судпром, подводный флот и т.д.

Термоэлемент не является коммерческим продуктом. После окончания ПНИ на базе Индустриального партнера в период 2017-2018 гг. будет осуществляться новый этап - ОТР, направленная на разработку технологии сборки из термоэлементов термоэлектрических генераторных модулей (ТЭГ), которые и будут являться коммерческим продуктом. Следует иметь в виду, что разрабатываемые в настоящей работе термоэлементы по своим функциональным характеристикам будут предназначены не для массового потребления, а в первую очередь для авиационно-космической техники.






Текущие результаты проекта:
Согласно план-графику исполнения обязательств достигнуты следующие результаты:
Разработана программа расчета многосекционной составной ветви;
Разработана программа расчета температурных режимов процесса искрового плазменного спекания (ИПС) и геометрии матрицы пресс-формы, используемых для соединения секций различного состава в составную ветвь;
Получены низкотемпературные материалы для составных ветвей для рабочего диапазона температур (20°C – 300 °C);
Проведены предварительные процессы формирования составных ветвей для рабочего диапазона (20°C – 300 °C), показавшие практическую пригодность метода ИПС.