Гіротропний спіральний термоелемент

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕРМОЕЛЕКТРИКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ГІРОТРОПНИЙ СПІРАЛЬНИЙ ТЕРМОЕЛЕМЕНТ

Спеціальність: Фізика приладів, елементів і систем

Федорук Ярослав Григорович

Чернівці, 2009 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Термоелектричні прилади та системи, розроблені на їх основі, широко застосовуються в енергетиці, холодильній і вимірювальній техніці. Основна властивість термоелектричних приладів - здатність використовувати взаємні перетворення теплової та електричної енергій, тому можливості практичного використання термоелектрики залежать від прогресу у фізиці термоелектричного перетворення енергії. Досягнення термоелектрики в галузі приладобудування в основному здобуто на базі фізики термопарних термоелементів.

Узагальнена теорія термоелектрики дала можливість розробити методи відкриття нових типів термоелементів, а їх застосування в анізотропних середовищах зробило можливим винайти, дослідити й створити низку принципово нових типів термоелементів з унікальними властивостями, якими істотно розширено можливості термоелектрики.

Перспективний напрямок розвитку прикладного застосування термоелектрики - винайдення нових типів термоелементів на основі гіротропних середовищ. Ці можливості термоелектрики практично ще не досліджувались, і їхня реалізація уможливить розширити елементну базу термоелектрики, підвищити конкурентну спроможність термоелектричних перетворювачів енергії, створити на їх основі термоелектричну продукцію підвищеної якості.

Актуальність теми дисертації полягає в необхідності підвищення ефективності та надійності термоелектричних перетворювачів енергії для використання їх у приладобудуванні.

Актуальність роботи полягає в потребі використання привабливих властивостей гіротропних термоелементів, таких як: відсутність внутрішніх спаїв, що забезпечує надійність і технологічність, можливість безспайного з'єднання кілець у просторову спіральну структуру для нарощування необхідних напруг, можливість дії на термоелемент як температурним, так і магнітним полем, що істотно збільшує функціональні можливості термоелемента, особливо з використанням у вимірювальній техніці.

Зв'язок роботи з науковими планами, роботами, темами. Дисертаційна робота є наслідком виконання Інститутом термоелектрики теми з базового фінансування інституту - „Винайдення та дослідження гіротропних і зонально-неоднорідних спіральних вихрових термоелементів” (№ держреєстрації 0103V003819), участь автора - виконавець.

Мета й задачі дослідження.

Мета дослідження - знаходження основних характеристик гіротропного спірального термоелемента в режимі термоелектричного нагріву та охолодження, визначення впливу ефектів Джоуля, Нернста-Еттінгсгаузена, оптимізація параметрів термоелемента для досягнення більшого значення вихідної потужності.

Об'єкт дослідження - перетворення теплової енергії в електричну, що здійснюється в гіротропних спіральних термогенераторах та електричної в теплову в гіротропних спіральних охолоджувачах.

Предмет дослідження - взаємозв'язок зовнішніх впливів та параметрів гіротропного спірального термоелемента в режимі генерації електричної енергії та охолодження.

Методи дослідження - методи математичної фізики, чисельні методи, методи термодинаміки нерівноважних процесів та комп'ютерне моделювання фізичних процесів у твердих тілах.

Публікації. Результати дисертації було опубліковано в 7 публікаціях, серед яких 5 статей у наукових фахових журналах, 1 патент України на корисну модель та 1 на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів основної частини, висновків та використаних у роботі літературних джерел, зі 50 найменуваннями. Робота виконана на 102 сторінках та містить 54 рисунки, 3 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зв'язок із науковою темою, що виконується в Інституті термоелектрики, сформульовано мету й задачі дослідження, визначено об'єкт, предмет та методи дослідження.

Показано наукову новизну та практичну цінність роботи. Наведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок автора.

У першому розділі подано огляд літератури, на основі якого формулюється постановка задач дисертаційної роботи. Проаналізовано термоелектричні матеріали, які використовуються у виготовленні термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена.

Для цього вибираються матеріали з найбільшими значеннями коефіцієнта Нернста-Еттінгсгаузена. Найефективнішим матеріалом для термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена є InSb. ККД виготовлених із нього генераторів може досягати 2-2,5% за індукції 1Тл і густини енергії 20-22 Вт/см. кв. Такі термоелементи, звичайно, не можуть конкурувати з термопарними по ККД, проте у випадках, коли суттєвою є швидкодія чи необхідна підвищена напруга, їх використання оправдане.

Проаналізовано відомі моделі термоелементів Нернста-Еттінгсгаузена, зокрема найпростіший випадок, коли термоелемент складається з одного чи двох брусків, на яких підтримується стаціонарна різниця температур та підтримується однорідне магнітне поле. Розглянуто врахування температурних залежностей властивостей матеріалу, а також випадок багатокаскадного термоелемента Нернста-Еттінгсгаузена, який дає можливість отримати більшу напругу, ніж з використанням однокаскадного. У роботі наводяться експериментальні дані, які показують, що найперспективнішим матеріалом для холодильників Еттінгсгаузена є BiSb. У сплавах BiSb найбільше значення ZHT досягається за температур близько 140 К і орієнтації кристала, коли електричний струм направлений паралельно тригональній осі, магнітне поле - уздовж бінарної осі, а градієнт температури - уздовж бісекторної. Сплави BiSb володіють властивістю зростати в напрямку, тому для виготовлення гіротропних охолоджувачів Еттінгсгаузена необхідно вирощувати монокристали відносно великих розмірів - діаметром близько 40 мм і більше. Максимальні значення ККД отримуються за концентрації Sb близько 3 ат., в%.

У роботі розглянуто модель термоелемента Еттінгсгаузена, що виготовлений зі зразка прямокутної форми, до двох граней якого приєднані електричні контакти, а магнітне поле однорідне й перпендикулярне струмові. Одна з переваг термоелементів Еттінгсгаузена - можливість їх каскадування шляхом використання термоелемента спеціальної форми. Такий каскад складається з набору прямокутних елементів, розміри яких вибираються таким чином, щоб, розміщуючи їх одне на одному, можна було отримати звичайне каскадне охолодження. Якщо розмір термоелементів у напрямку їх довжини однаковий, то за деяких припущень до кожного елемента можна прикласти однакову електричну напругу, тобто, усі термоелементи можуть мати спільне джерело живлення.

Огляд проведених досліджень зонально-неоднорідного термоелемента зумовлює задачі дисертації створити теорію гіротропного спірального термогенератора та охолоджувача на основі загальної теорії перетворення енергії, оптимізувати робоче тіло термогенератора по геометричних розмірах, визначити умови досягнення підвищеної вихідної потужності та ККД, дослідити температурну залежність гіротропного спірального охолоджувача від величини магнітного поля, густини електричного струму та геометрії робочого тіла охолоджувача й розрахувати оптимальний розподіл електричного струму і потенціалу в гіротропному спіральному охолоджувачі. В другому розділі розглянуто фізичну модель нескінченної однорідної гіротропної пластини і однорідного гіротропного кільця та описано виникнення вихрових термоелектричних струмів. У роботі показано, що в провіднику, у якому наявні градієнт температури й магнітне поле, перпендикулярне до градієнта температури, виникають вихрові термоелектричні струми, перпендикулярні до магнітного поля. Згідно з, густина ВТС у гіротропному середовищі визначається узагальненим законом Ома:

Використовуючи рівняння Лапласа для температурного поля:

Для однорідного гіротропного кільця з розв'язку рівняння Лапласа знайдено вираз для температурного поля:

Ізотермічні лінії, у випадку нескінченного середовища, - концентричні кола. Градієнт температури збільшується, наближаючись до внутрішнього радіуса, і зменшується ближче до зовнішньої границі. Показано, що розподіл потенціалу також знаходиться з рівняння Лапласа із граничними умовами:

Така функція побудована для випадку неоднорідного ізотропного та однорідного анізотропного із симетричним тензором термоЕРС середовищ, але для гіротропного середовища утворююча функція в явному вигляді ще не була визначена.

В дисертаційній роботі було знайдено функцію для випадку двовимірного гіротропного середовища. Показано, що утворюючою функцією для термоелектричного поля може бути будь-яка із функцій. При цьому дві інші функції виражатимуться через неї з точністю до невідомих гармонійних функцій які знаходяться з граничних умов:

У третьому розділі розглянуто гіротропний термоелемент у режимі термоелектричного нагріву. На рис. 1 показано виток гіротропного спірального термоелемента у вигляді кільця із внутрішнім та зовнішнім радіусами. Магнітне поле спрямоване перпендикулярно до площини кільця. На границі розрізу накладено високопровідні контакти та під'єднано зовнішнє навантаження R.

Внутрішній контур підтримується за температури, зовнішній за температури. Розподіл температури описується виразом:

Шуканий потенціал U задовольняє рівнянню Лапласа:

Де:

V - різниця потенціалів на навантаженні;

R - радіальна компонента густини струму в полярній системі координат.

Розв'язок задачі (16) - (18) знайдено аналітико-числовим методом.

Електричний потенціал U має вигляд:

Найкращим матеріалом для генерації електричного струму в гіротропному середовищі є InSb. За параметрів матеріалу с0 = 2*10-5 Ом*м, бa = 3•10-4, 2,5•10-4 та параметрів термоелемента - внутрішній радіус 1 см, зовнішній - 2 см, магнітне поле - 1 Тл, різниця температур - 100 К та середньої температури 350 К отримуємо інтегральний струм 1,5 А, оптимальне значення зовнішнього навантаження 0,18 Ом, ЕРС 27 мВ, потужність 40 мВт, ККД - 0,62%.

Розглянуто також модель однорідного гіротропного термоелемента, у якій враховано ефекти Джоуля та Нернста-Еттінгсгаузена. Здійснено також оптимізацію гіротропного охолоджувача, побудовано графік залежності оптимізованого по магнітному полю струму jopt в охолоджувачі від абсолютної величини магнітного поля В, графік залежності різниці температур між зовнішньою і внутрішньою гранями гіротропного охолоджувача від абсолютної величини магнітного поля B за оптимізованого значення густини електричного струму jopt. Виявлено, що зі збільшенням магнітного поля B зростає значення густини оптимізованого електричного струму jopt та різниці температур.

У п'ятому розділі проведено комп'ютерне дослідження кільцевого гіротропного термоелемента, різницевим методом сіток побудовано математичну модель гіротропного термоелемента й розв'язано задачу знаходження розподілу температури та потенціалу в різницевих співвідношеннях методом ітерацій.

Також побудовано комп'ютерну модель однорідного гіротропного термогенератора та охолоджувача за допомогою програми моделювання фізичних процесів COMSOL і підтверджено співпадання теоретично отриманих результатів із комп'ютерною моделлю.

У шостому розділі досліджено матеріал InSb p-типу за концентрацією акцепторів в області змішаної провідності. Побудовано температурні залежності асиметричної компоненти тензора Зеєбека за різних концентрацій акцепторів, а також залежності асиметричної компоненти тензора Зеебека від концентрації акцепторів за різних температур. Термомагнітна добротність InSb p-типу в результаті оптимізації може досягати значень 0.3 10-3, що в 2-3 рази вищі за величини, отримані в роботі. Асиметрична компонента тензора в магнітному полі має максимум, що зі зниженням температури зсовується вбік більш низьких температур і концентрацій акцепторів. Порівняння з результатами роботи, де для InSb n-типу в полі 4 Тл за кімнатних температур отримано QB = 4•10-4, показує, що використання оптимізованих матеріалів InSb р-типу дає можливість досягати в 5-8 разів більших значень вихідних напруг термомагнітних елементів за менших магнітних полів.

ВИСНОВКИ

1. Показано, що в нескінченному однорідному гіротропному середовищі за радіального розподілу температури з ізотермічним циліндричним джерелом тепла виникають вихрові термоелектричні струми, що мають лише азимутальну компоненту, густина яких зменшується з віддаленням від джерела. Лінії струму, еквіпотенціальні лінії в середовищі є концентричними колами, центри яких розташовані на осі джерела тепла;

2. В обмеженому однорідному гіротропному кільці інтегральна величина вихрових термоелектричних струмів не залежить від співвідношення зовнішнього і внутрішнього радіусів кільця, а визначається величиною магнітної індукції, перепадом температури й товщиною кільця. Отримані для обмеженого кільця розподіли температур, струмів і потенціалів є передумовою використання вихрових термоелектричних струмів для створення кільцевих і спіральних гіротропних термоелементів;

3. Доведено, що утворюючою функцією термоелектричного поля для двовимірного гіротропного середовища є будь-яка з трьох функцій: розподіл температури, електрохімічний потенціал і векторний потенціал густини струму, а дві інші виражатимуться через неї з точністю до невідомих гармонійних функцій, які знаходяться з граничних умов для кожного окремого випадку. Одержані результати роблять можливим отримати необхідний розподіл струмів для розв'язку технічних задач;

4. Розраховані основні характеристики гіротропного спірального термоелемента, що має такі привабливі властивості:

а) Відсутність внутрішніх спаїв, що забезпечує надійність і технологічність;

б) Можливість безспайного з'єднання кілець у просторову спіральну структуру для нарощування необхідних напруг;

в). Можливість дії на термоелемент як температурним, так і магнітним полем, що істотно збільшує функціональні можливості термоелемента;

г) Розвиває більшу ЕРС, має підвищену ефективність, а також набуває додаткову функціональну можливість - чутливість до градієнтів магнітного поля.

5. Знайдено розподіл температури, оптимальне значення густини електричного струму та максимальний перепад температури в гіротропному охолоджувачі кільцеподібної форми;

7. Досліджено залежності різниці температур від величини магнітного поля, оптимального значення густини струму, зовнішнього та внутрішнього радіусів за різних значень магнітного поля;

8. Гіротропний охолоджувач у формі кільця зберігає властивість безкомутаційного з'єднання й зручний у використанні для охолодження деталей циліндричної форми;

9. Комп'ютерне моделювання робить можливим отримати наочний розподіл температури та струмів у гіротропних термоелементах, а також побудувати графічні залежності необхідних характеристик;

10. Результати обрахунків, отримані чисельними методами з допомогою комп'ютерного моделювання, співпадають з результатами розрахованими теоретично;

11. Проведено оптимізацію InSb р-типу за концентрацією акцепторів в області змішаної провідності для досягнення максимально можливих значень вихідної напруги та ККД гіротропних термоелементів. Показано, що використання оптимізованих матеріалів InSb р-типу дає можливість досягати в 5-8 разів більших значень вихідних напруг термомагнітних елементів за менших магнітних полів, ніж на InSb n-типу. При цьому ККД в 2-3 рази вищий, ніж в електронному антимоніді індію.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Анатичук Л.І., Лусте О.Я., Федорук Я.Г., Шинкарук С.М. Вихрові термоелектричні струми в гіротропному середовищі з радіальним розподілом температури // Термоелектрика. - 2003. - №3. - C. 19-24.

2. Лусте О.Я., Федорук Я.Г. Утворююча функція термоелектричного поля для гіротропного середовища // Термоелектрика. - 2003. - №4. - С. 19-23.

3. Лусте О.Я., Федорук Я.Г. Гіротропний термоелемент в неоднорідному магнітному полі // Термоелектрика. - 2006. - №1. - С. 16-22.

4. Пат. 26387 Україна. МПК H01L 37/00. Гіротропний охолоджувач. Анатичук Л.І., Лусте О.Я., Федорук Я.Г. (Україна), Інститут термоелектрики. - №a200612510. - Заявка 28.11.2006, Опубл. 29.09.2007, Бюл. №15.

5. Пат. 82385 Україна. МПК H01L 35/02. Термомагнітний спіральний термоелемент. Лусте О.Я., Федорук Я.Г. (Україна), Інститут термоелектрики. №a200602057, Заявка 24.02.2006, Опубл. 10.04.2008, Бюл. №7.

6. Лусте О.Я., Федорук Я.Г. Кільцеподібний гіротропний охолоджувач // Термоелектрика. - 2008. - №3. - С. 15-19.

7. Лусте О.Я., Федорук Я.Г. Оптимізація матеріалів для гіротропних термоелементів // Термоелектрика. - 2008. - №4. - С. 7-12.

8. L.I. Anatychuk, Ya.H. Fedoruk, S.M. Shynkaruk. Gyrotropic Spiral Thermoelement // 22nd International Conference on Thermoelectrics. - 2003. - P. 484-486. механічний термоелемент електричний

9. Анатичук Л.И., Лусте О.Я., Федорук Я.Г. Гиротропный функционально неоднородный спиральный термоелемент // XVI Межгосударственный семинар «Термоэлектрики и их применения». - Санкт-Петербург. - 2004.

Размещено на Allbest.ru