Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
термоэлекрический генератор, термоэлемент, многосекционная составная ветвь, термоэлектрические материалы, термоэлектрическая эффективность, искровое плазменное спекание.

Цель проекта:
В мире происходит постоянное возрастание потребности в электроэнергии, основная доля которой (~ три четверти) производится за счет сжигания органического ископаемого топлива (прежде всего нефти) запасы которого на земле ограничены. Более 60% вырабатываемой в мире энергии теряется в виде бросового (не используемого) тепла. Основными «поставщиками» бросового тепла являются электростанции, автотранспорт, промышленные (особенно энергоемкие) предприятия. Основными ориентирами развития энергетики являются: опережающее развитие альтернативной энергетики, использование возобновляемых энергоресурсов, повышение энергоэффективности и энергосбережения. Проблема, связанная с практически неограниченным сжиганием углеводородного топлива, имеет два аспекта: чисто энергетический и экологический, поскольку отходящее бросовое тепло не только препятствует энергосбережению и снижает энергетическую эффективность, но и приводит к тепловому загрязнению окружающей среды. Идеальным решением является хотя бы частичный возврат потерянного бросового тепла в энергетическую систему. Это возможно за счет прямого преобразования этого тепла в электроэнергию в термоэлектрическом генераторе (ТЭГ). Использование термоэлектрического преобразования позволяет решать одновременно оба указанных выше аспекта проблемы. ТЭГ являются альтернативными, по сути возобновляемыми, источниками электроэнергии. Принципиальным преимуществом ТЭГ является то, что ТЭГ не только сами экологически чистые, но и существенно снижают тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, уменьшая количество бесполезно сжигаемого топлива. При этом каждый килограмм сэкономленного топлива сокращает выбросы СО2 в атмосферу на 3,2 кг. К числу недостатков термоэлектрического генератора в первую очередь следует отнести его относительно низкий КПД, что сдерживает широкое использование ТЭГ в современной технике. В настоящее время в промышленном масштабе в основном используются односекционные термоэлектрические генераторные модули на основе Bi2Te3 с рабочей температурой до 300 °C, имеющие КПД 3-5 %. Двухкаскадные ТЭГ с рабочей температурой до 600 °C имеют КПД 8-10 %. 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 горячего и холодного спаев термоэлемента. Наиболее эффективным способом повышения КПД является создание составных ветвей и термоэлементов, работающих в широком диапазоне температур. Этим определяется безусловная актуальность проекта. Цель проекта: разработка лабораторной технологии получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций и создание на их основе термоэлемента с оптимизированной архитектурой и с повышенной эффективностью (КПД не менее 14 %) для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 °C.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными планируемыми результатами являются:
- Программы расчета геометрических размеров секций составной ветви состоящей из низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов, с целью оптимизации архитектуры составной ветви;
- Результаты расчета оптимальных размеров секций составной ветви с учетом термоэлектрических свойств используемых материалов.
- Лабораторная технологическая инструкция получения составных ветвей из низко-, среднетемпературных секций для термоэлемента для рабочего диапазона температур от комнатной до 600 °C;
- лабораторная технологическая инструкция получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций для термоэлемента для рабочего диапазона температур от комнатной до 900 °C;
- лабораторная технологическая инструкция на изготовление термоэлемента для диапазона температур (20 – 900 °C) (в том числе на коммутацию составных ветвей);
- экспериментальные образцы термоэлемента с составными ветвями;
- проект технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка опытно-промышленной технологии получения генераторных термоэлектрических модулей, работающих в широкой области температур».
Указанные результаты должны обеспечить получение термоэлемента со следующими техническими характеристиками:
область рабочих температур: 20 – 900 °C;
число секций термоэлемента: не менее 4 шт.;
КПД термоэлемента при Тг=900 °C не менее 14%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом является составной термоэлемент, получаемый коммутацией составных ветвей, состоящих из двух низкотемпературных, двух среднетемпературных и одной высокотемпературной (каскада) секций на основе материалов с различной концентрацией носителей заряда и максимальной эффективностью в различных температурных областях. Термоэлемент должен иметь КПД не менее 14% при температуре холодной и горячей стороны 20 и 900 °С. Разработанная лабораторная технология может в качестве промежуточного продукта создать среднетемпературный термоэлемент с областью рабочих температур 20 – 600 °С, имеющий КПД более 10%. Результаты проекта должны сделать значительный шаг в решении ключевой проблемы в термоэлектрическом материаловедении – повышения эффективности термоэлектрического преобразователя энергии.
Оценка элементов новизны:
Разработана оригинальная программа теоретического расчета геометрических размеров секций в зависимости от термоэлектрических свойств материалов, что позволяет оптимизировать архитектуру составных ветвей.
Разработана унифицированная лабораторная технология формирования составных ветвей термоэлементов методом искрового плазменного спекания.
Будет разработана универсальная система коммутации составных ветвей в термоэлемент с использованием струйного микроплазменного напыления. Этот метод используется и для создания антидиффузионных прослоек между соседними секциями.
По основным параметрам, создаваемые на основе многосекционных составных ветвей термоэлементы будут превосходить существующие в настоящее время аналоги. Запланированные в проекте исследования и технологические разработки соответствуют основным направлениям развития термоэлектрического материаловедения в мире. Работы, проводимые в США по программе NASA, планируют достижение близких параметров КПД= 10 ÷ 15% в 2018 г. Однако до настоящего времени такие результаты в мире не достигнуты.
Для соединения секций в составных ветвях термоэлементов на диапазон температур до 900 °С наряду с искровым плазменным спеканием будет использован метод высокотемпературной пайки, а также исследованы возможности горячего прессования на имеющемся в АО "Гиредмет" оборудовании. Для коммутации ветвей будет использован метод микроплазменного осаждения металлов, который будет использован также для создания антидиффузионных прослоек между секциями материалов различного состава. Для измерения КПД термоэлементов будет использоваться оборудование, позволяющее проводить измерения до температуры 900 °С. Подобное серийное оборудование до настоящего времени отсутствует. Ограничения и риски связаны с соединением секций материалов, обладающих большим различием коэффициентов линейного расширения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Термоэлектрические генераторы электроэнергии незаменимы в ближнем и дальнем космосе, находят применение на транспорте, в нефтегазовом комплексе, атомной промышленности, судпроме, подводном флоте, на энергоемких промышленных предприятиях металлургической и перерабатывающей промышленности, а также перспективных для создания автономных систем мониторинга в арктической зоне. Во всех случаях решение проблем энергоэффективности и энергосбережения требует повышения КПД ТЭГа. В социальной сфере использование эффективных ТЭГ окажет положительное влияние на экологию.
В настоящем проекте решен основной принципиальный вопрос существенного повышения КПД ТЭГ при использовании составных ветвей термоэлемента. Теоретические расчеты показали, что при использовании высокоэффективных материалов разработанная технология может не только повысить КПД генераторного термоэлектрического модуля, но и создать среднетемпературный (до 500-600 °С) модуль с КПД = 10-12 % и низкотемпературный (до 300 °С) модуль с КПД = 7-8%. Это открывает возможность расширить применение термоэлектрических преобразователей энергии в указанных областях.
Результаты выполнения проекта будут являться базой для создания унифицированной технологии изготовления высокоэффективных генераторных модулей для широкого температурного диапазона. Разработка технологической и конструкторской документации для производства высокоэффективных модулей будет проведена в ходе последующего выполнения ОКР в соответствии с договором с Индустриальным партнером о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований.
Планируемые результаты позволят развить научно-техническое и технологическое направление по созданию в России высокоэффективных термоэлектрических генераторов с целью расширения областей применения термоэлектрического преобразования и улучшения экологической обстановки.
Планируемые результаты будут способствовать развитию исследований в рамках международного сотрудничества со странами, имеющими долгосрочную программу, направленную на повышение эффективности термоэлектрического преобразования энергии (ЕЭС, Китай, Япония, США). Участие в международных конференциях расширит возможности демонстрации и популяризации научных достижений в области термоэлектричества.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с разработанной на 1-м этапе расчетной программой с целью оптимизации архитектуры составных ветвей проведены теоретические расчеты геометрических размеров низко-, средне- и высокотемпературных секций с учетом термоэлектрических свойств используемых материалов. Результаты расчетов использованы при формировании составных ветвей.
- Проведено теоретическое моделирование процесса искрового плазменного спекания и способ управления градиентом температур в области спекания, на основании результатов которого определена конфигурация пресс-формы.
- Методом экструзии, горячего прессования и искрового плазменного спекания получены образцы термоэлектрических материалов различного состава n- и р-типа для низко-, средне- и высокотемпературных секций составной ветви термоэлемента. Проведены измерения температурных зависимостей термоэлектрических свойств (электро- и теплопроводности, термоэдс и добротности) этих материалов в диапазоне температур от 20 до 900 °С.
- Отработаны режимы нанесения антидиффузионных слоев на поверхности секций составной ветви методом струйного микроплазменного напыления металлов.
- Методами рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии проведено исследование структуры низко-, средне- и высокотемпературных материалов.
- Разработаны режимы формирования составных ветвей для температурных диапазонов (20-600 °С) и (20-900 °С). Разработаны соответствующие лабораторные технологические инструкции.
- До окончания 3-го этапа проекта будут изготовлены экспериментальные образцы многосекционных составных ветвей для температурного диапазона (20-900 °С).
- Разработана лабораторная методика измерения контактного сопротивления на границе смежных секций.
- За счет внебюджетных средств разработана лабораторная технология соединения средне- и высокотемпературных металлизированных секций методом пайки.