Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.578.21.0038

Руководитель: Штерн Юрий Исаакович

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
эффект зеебека, термоэлектрические генераторы, низко-, средне- и высокотемпературные термоэлектрические материалы, термоэлектрические модули, тепловое расширение, коэффициент термического линейного расширения, архитектура термоэлемента, составные ветви термоэлемента, математические модели, термодинамическое моделирование, программное обеспечение, метрологическое обеспечение.

Цель проекта:
Цели и задачи 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 ºC. Разработка метрологического обеспечения для исследований термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе. Разработка аппаратно - программных средств для проведения исследований. Основные задачи: 1) Расширение интервала работ низкотемпературного термоэлектрического материала. 2) Создание эффективных средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов. 3) Разработка технологий контактов к термоэлектрическим материалам. 4) Разработка технологий коммутационных слоев. 5) Решение проблем, связанных с тепловым расширением конструкционных материалов. 6) Оптимизация конструкции секционного термоэлемента. 7) Разработка методик и измерительных комплексов для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе.

Основные планируемые результаты проекта:
1) 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 ºC.
2) Проект Лабораторного регламента на коммутацию составных ветвей термоэлемента с повышенной эффективностью (КПД не менее 14%).
3) Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования теплового расширения термоэлектрических структур.
4) Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе.
5) Экспериментальные образцы термоэлемента с составными ветвями. Методика и измерительный комплекс для исследования КПД термоэлементов для термоэлектрических генераторов.
Основные характеристики ветвей термоэлемента:
1) Область рабочих температур 20-900 °С.
2) Высота ветвей термоэлемента 8-20 мм.
3) Сечение ветвей термоэлемента 9-100 мм2.
4) Число секций термоэлемента, не менее 4 шт.
5) КПД термоэлемента, не менее 14%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Лабораторная технология получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций и создание на их основе термоэлемента с повышенной эффективностью, включая метрологическое обеспечение для исследований термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе предназначены для создания высокоэффективных термоэлектрических генераторов с расширенным интервалом рабочих температур до 900 ºС и КПД не менее 14 %.
Научная новизна выполняемых по данному проекту работ заключается в том, что в результате использования системного, научно-обоснованного подхода будут разработаны физико-технологические основы создания эффективных высокотемпературных многосекционных генераторных термоэлементов.
Получены результаты, соответствующие лучшим мировым достижениям в данной области термоэлектрического приборостроения.
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.
На текущий момент выполнения проекта существенных ограничений и рисков не выявлено.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В результате выполнения работы будет создана принципиально новая продукция – высокоэффективный термоэлектрический термоэлемент, работающий в широком температурном диапазоне.
Разработанные и изготовленные в рамках проекта термоэлектрические устройства могут быть использованы там, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии с длительным сроком эксплуатации, не требующие обслуживания. Например, для электроснабжения удаленных потребителей в труднодоступных районах: метеостанции, маяки, устройства сейсмической разведки, для катодной защиты газо- и нефтепроводов от коррозии, для питания автоматики газовых буровых скважин. Высокотемпературные термоэлектрические генераторы - единственный способ энергообеспечения межпланетных космических станций.
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 источников питания.
Результаты решения поставленных задач будут иметь существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволят значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования.

Текущие результаты проекта:
1) Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.
2) Выбраны и обоснованны направления исследований, проведены теоретические исследования, выбран оптимальный вариант решения поставленных перед ПНИ задач.
3) Проведено математическое моделирование с целью оптимизации конструкции многосекционного термоэлемента. Разработана математическая модель.
4) Разработан алгоритм программного обеспечения для расчета составной ветви для выбора оптимальных размеров секций термоэлектрического материала.
5) Разработаны методы расчета теплового расширения по аддитивной схеме и их соотношения Грюнайзена и проведено математическое моделирование теплового расширения многосекционного термоэлемента.
6) Разработана математическая модель для расчета теплового расширения многосекционного термоэлемента.
7) Изготовлен и исследован низкотемпературный термоэлектрический материал.
8) Разработаны способы получения омических контактов к низкотемпературным термоэлектрическим материалам. Изготовлены, исследованы омические слои к низкотемпературным материалам.
9) Разработана методика и изготовлен аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе на измерительном комплексе.
10) Разработано программное обеспечение для реализации математической модели расчета теплового расширения термоэлемента.
11) Разработаны и изготовлены среднетемпературные термоэлектрические материалы. Проведено исследование их тепло- и электрофизических свойств.
12) Разработаны способы получения барьерных слоев, омических контактов и коммутационных слоев к среднетемпературным материалам. Изготовлены барьерные слои, омические контакты и коммутационные слои, проведено исследование их свойств.
13) Разработана методика и изготовлен измерительный комплекс для исследования теплового расширения термоэлектрических структур. Разработано программное обеспечение для этого комплекса.
14) Разработаны методики для исследования адгезии контактных систем в термоэлектрических устройствах.
15) Изготовлены высокотемпературные термоэлектрические материалы. Проведено исследование их тепло- и электрофизических свойств.
16) Разработаны способы получения барьерных слоев к высокотемпературным термоэлектрическим материалам, проведены исследования их свойств.