Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0039

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0039
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Название доклада
Разработка технологии формирования и оптимизация архитектуры термоэлемента для термоэлектрических генераторов, работающих в широкой области температур
Докладчик
Освенский Владимир Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Для успешного достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- разработка программы и проведение расчета оптимальных размеров секций составной ветви, с учетом термоэлектрических свойств используемых низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов, с целью оптимизации архитектуры составной ветви;
- разработка лабораторной технологии получения составных ветвей из низко-и среднетемпературных секций для термоэлемента с рабочим диапазоном температур от комнатной до 600 °C;
- разработка лабораторной технологии получения составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций для термоэлемента с рабочим диапазоном температур от комнатной до 900 °C;
- разработка лабораторной технологии изготовления термоэлемента для диапазона температур (20 – 900 °C);
- изготовление экспериментальных образцов термоэлемента с составными ветвями;
- разработка программы и методики исследовательских испытаний термоэлемента для рабочих температур от 20 до 900 °С;
- проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов термоэлементов.
Актуальность и новизна исследования
Основными направлениями развития энергетики в мире являются: опережающее развитие альтернативной энергетики, использование возобновляемых энергоресурсов. При практически неограниченном сжигании углеводородного топлива, 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).
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 и новизна подходов к решению поставленных задач.
Описание исследования

- Разработана теоретическая программа расчета геометрических размеров секций составных ветвей термоэлемента с учетом термоэлектрических свойств используемых материалов. Эта программа является оригинальной и более строгой по сравнению с существующими в литературе упрощенными программами расчета. Разработанная программа позволяет оптимизировать архитектуру составных ветвей с целью повышения КПД термоэлемента.

- Для получения низко-, средне- и высокотемпературных материалов различного состава были использованы различные методы порошковой металлургии: горячее прессование, экструзия и искровое плазменное спекание (ИПС).

- Основным методом формирования составных ветвей явился метод ИПС, обладающий рядом преимуществ по сравнению с традиционно используемыми методами (прежде всего, горячее прессование).

- Применительно к методу ИПС была разработана теоретическая программа расчета температурных режимов процесса, что позволяет провести расчет температурных профилей в спекаемом материале в зависимости от граничных условий и определить оптимальную геометрию матрицы пресс-формы.

- Для соединения секций в составных ветвях термоэлемента на диапазон температур до 900 °С наряду с ИПС использован метод высокотемпературной пайки.

- Разработана лабораторная методика измерения величины контактного сопротивления на границе смежных секций, являющейся важной характеристикой качества термоэлемента.

- Для определения КПД термоэлементов было использовано оборудование, позволяющее проводить измерения до температуры 900 °С. Подобное серийное оборудование до настоящего времени отсутствует.

- Разработаны программа и методика измерения КПД термоэлементов, работающих при температуре до 900 °С.

- Структурные исследования проводили методами рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии.

- Для контроля термоэлектрических свойств используемых материалов проводили измерение коэффициента термоэдс, электро- и теплопроводности в широком диапазоне температур от комнатной до 900 °С.

Результаты исследования

С использованием указанных выше теоретических программ расчета и экспериментальных методов исследования получены следующие основные результаты:

- Проведены расчеты оптимальных геометрических размеров секций составных ветвей термоэлемента с учетом термоэлектрических свойств используемых низко-, средне- и высокотемпературных материалов.

- В качестве основного метода формирования составных ветвей термоэлемента использовали метод искрового плазменного спекания (ИПС), применительно к которому была разработана теоретическая программа расчета температурных режимов процесса и определена оптимальная геометрия матрицы.

- Разработана лабораторная технологическая инструкция формирования составных ветвей из низко-, средне- и высокотемпературных секций для термоэлемента с рабочим диапазоном температур от комнатной до 900 °С. В качестве материалов различных секций использовали твердые растворы различного состава на основе (Bi,Te)2Se3 - Bi2(Te,Se)3 (n-тип) и (Bi,Sb)2Te3 (р-тип) (от 20 до 300 °С), PbTe (n-тип), GeTe и SnTe (р-тип) (от 300 до 600 °С), SiGe(P) n-тип и SiGe(B) р-тип (от 600 до 900 °С). Высокотемпературный сегмент выполнен в виде отдельного каскада с целью уменьшения потерь в суммарном КПД из-за сильной рассогласованности его термоэлектрических характеристик со свойствами предыдущих секций. Полная сборка термоэлемента осуществлялась соединением высокотемпературного сегмента со среднетемпературной частью посредством пасты из дисульфида молибдена. Коммутацию высокотемпературного сегмента со среднетемпературным сегментированным термоэлементом осуществляли с помощью медных шин.

- Разработана лабораторная технологическая инструкция формирования термоэлемента для диапазона температур (20 – 900 °С), в том числе на коммутацию составных ветвей.

- Изготовлены экспериментальные образцы термоэлементов для рабочего диапазона (20 – 900 °С).

- Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов термоэлементов. В ходе испытаний проводился визуальный осмотр термоэлемента, определялись высота и сечение термоэлемента, число секций ветви термоэлемента, его КПД и область рабочих температур, а также температура горячей стороны термоэлемента. Установлено, что полученные образцы обладают следующими техническими характеристиками:  

           - область рабочих температур 20 – 900 °С; 

           - число секций термоэлемента не менее 4 шт.;

           - КПД термоэлемента при Тгор = 900°С не менее 14%, т.е. соответствуют требованиям Технического Задания.

- По основным параметрам разработанные в данной ПНИЭР на основе многосекционных составных ветвей термоэлементы не уступают существующим в настоящее время аналогам. Проведенные 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.

Практическая значимость исследования
Термоэлектрические генераторы электроэнергии в первую очередь 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 перспективны 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 возможности существенного повышения КПД ТЭГ при использовании составных ветвей термоэлемента.
Результаты выполнения проекта будут являться научной базой для создания унифицированной технологии изготовления высокоэффективных генераторных модулей для широкого температурного диапазона. При этом следует иметь в виду, что сам по себе термоэлемент, хотя и представляет основу, определяющую потенциальную эффективность термоэлектрического модуля, не является коммерческим продуктом. Требуется разработка технологической и конструкторской документации для организации автоматизированного производства высокоэффективных модулей. В рамках данной ПНИЭР в соответствии с ТЗ на тему разработан проект Технического Задания на проведение ОТР по теме "Разработка опытно-промышленной технологии получения генераторных термоэлектрических модулей, работающих в широкой области температур".