Фізика штучно-анізотропних термоелементів

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

Фізика штучно-анізотропних термоелементів

Ніцович О.В.

01.04.01 -- фізика приладів, елементів і систем

Чернівці - 2009

Вступ

Актуальність теми дисертації. Термоелектрика є важливим науково-технічним напрямком, від якого істотно залежить прогрес у багатьох галузях науки і техніки. Серед них космічна та військова техніка, електроніка, радіо- та волоконний зв'язок, комп'ютерна техніка, вимірювальна техніка, приладобудування, метрологія, медицина, побутова техніка та інше.

В роботах на основі узагальненої теорії термоелектричного перетворення енергії було показано, що існує не менш ніж 124 комбінації середовищ і зовнішніх дій, які приводять до термоелектричного перетворення. Більшість з цих комбінацій є недослідженою, проте їх аналіз показує, що прогрес в термоелектриці пов'язаний з дослідженням та використанням складних середовищ, комплексною дією на них тиску, електричного та магнітного поля. Створені на основі узагальненого термоелектричного перетворювача енергії термоелементи можуть володіти новими унікальними властивостями та практичною цінністю.

Особливий інтерес викликають термоперетворювачі поперечного типу, принцип дії яких базується на використанні перпендикулярної до градієнта температури складової спаду напруги від протікання замкнутих вихрових термоелектричних струмів у провідному середовищі в неізотермічних умовах, яке називають поперечним ефектом Зеєбека.

Зацікавлення термоперетворювачами поперечного типу виникло у зв'язку з привабливими їх властивостями - залежністю поперечної термоЕРС від геометричних розмірів термоелементів та відсутністю комутацій, з пошуком конструкцій малоінерційних детекторів. Ці обставини, наприклад, дають можливість зі зменшенням товщини термоелемента підвищувати їх швидкодію без втрат вольт-ватної чутливості. Отже, термоперетворювачі поперечного типу перспективні для створення швидкодіючих термоелектричних приладів. Однак напівпровідникові матеріали, для яких властива анізотропія термоЕРС і які використовуються для створення анізотропних термоелементів, мають порівняно низьку термоелектричну добротність.

Актуальність теми дисертації полягає у пошуку нових типів термоелементів, які би дозволили покращити робочі характеристики термоелектричних приладів, зокрема, шляхом оптимізації конструкції та режимів роботи термоелементів. Сучасні комп'ютерні технології дозволяють провести оптимізацію нових конструкцій термоелементів та виявити переваги над іншими типами термоелементів, а також визначити границі застосування теорії багатошарових шаруватих термоелементів.

Зв'язок роботи з науковими планами, роботами, темами. Дисертаційна робота та напрямки її досліджень пов'язані та є наслідками виконання Інститутом термоелектрики теми з базового фінансування інституту: “Винайдення та дослідження нових типів композитних термоелементів зі штучною анізотропією електропровідності” (№ держреєстрації 0103U005028), участь автора - виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження та оптимізація термоелектричних параметрів матеріалів, конструкції, поперечної термоЕРС, потужності та коефіцієнта корисної дії термоелементів нового типу - дво- та тришарового термоелементів з періодично профільованою поверхнею. Визначення впливу ефектів вихрових термоелектричних струмів, Джоуля, Пельтьє, Томсона у дво- та тришаровому термоелементах з періодично профільованою поверхнею на їх параметри та характеристики, оптимізація цього впливу для підвищення ЕРС, вихідної потужності та ККД при використанні термоелементів в термоелектричних перетворювачах енергії. Порівняння результатів використання теорії поперечних термоелементів [3*] з даними комп'ютерного моделювання для визначення меж застосовності апроксимації шаруватого неоднорідного середовища однорідним анізотропним середовищем.

Досягнення мети передбачає вирішення таких задач:

-визначити границі застосування теорії багатошарових шаруватих термоелементів;

розробити теоретичні основи для розв'язання задач оптимізації нових типів шаруватих термоелементів з періодично профільованою поверхнею в режимі генерації електричної енергії;

застосовуючи методи комп'ютерного проектування дослідити вплив ефектів вихрових термоелектричних струмів, Джоуля, Пельтьє, Томсона, температурних залежностей та просторової неоднорідності властивостей матеріалів дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею на розподіли температури, електричних струмів і потенціалів в режимі генерації електричної енергії;

оптимізувати геометричні параметри робочого тіла вищезладаних нових типів термоелементів для досягнення максимальної ефективності;

провести експериментальні дослідження параметрів і характеристик двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею для низки діапазонів температур в режимі генерації електричної енергії і порівняти результати експериментів з даними теорії та комп'ютерного моделювання.

Об'єктом дослідження є фізична модель двошарового та тришарового термоелементів з періодично профільованою поверхнею, котрі являють собою брусок з матеріалу, що складається з двох (двошаровий термоелемент) або трьох (тришаровий термоелемент) шарів різного типу провідності, у яких принаймні один із шарів термоелемента має періодичну профільовану поверхню із системою ребер та заглибин, які орієнтовані під кутом до граней бруска.

Предметом дослідження є фізичні процеси перетворення теплової енергії в електричну у шаруватих термоелементах Гайлінга, дво- та тришаровому термоелементах з періодично профільованою поверхнею.

Методами дослідження є методи термодинаміки, математичної фізики, об'єктно-орієнтоване комп'ютерне моделювання взаємодіючих теплових, електричних і термоелектричних процесів у твердих тілах, експериментальні методи термоелектрики і теплофізики.

Наукова новизна одержаних результатів

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної проблеми пошуку нових типів термоелементів, що виявляється в таких нових наукових результатах:

1. Визначено межі застосовності теорії багатошарових шаруватих термоелементів. Показано, що апроксимація шаруватого неоднорідного середовища однорідним анізотропним середовищем, завищує значення поперечної ЕРС термоелементів. При товщині термоелементів, співрозмірній і меншій товщини шарів похибка теорії різко зростає.

2. Вперше сформовано фізичну та розрахункову моделі нових типів термоелементів - дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею.

3. Комп'ютерним моделюванням знайдено розподіли температур, струмів та потенціалів в дво- та тришарових термоелементах з періодично профільованою поверхнею.

4. Вперше встановлено оптимальну геометричну конфігурацію дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею для досягнення максимальної ефективності та полегшення виготовлення таких типів термоелементів.

5. Для термоелектричних матеріалів на основі Bi2Te3 врахування ефекту Томсона та температурних залежностей коефіцієнта термоЕРС, електро- та теплопровідності дозволяє покращити точність розрахунку ЕРС та ККД на ~30%.

6. Кутова залежність поперечної термоЕРС дво- та тришарових термоелементів не монотонна та визначається функцією , яка не є косинусоїдою на відміну від анізотропних термоелементів.

7. Поперечна термоЕРС зростає пропорційно величині відношення геометричних розмірів термоелемента. При оптимальних значеннях геометрії двошаровий термоелемент з періодично профільованою поверхнею генерує ЕРС більшу за термопарний термоелемент.

8. Поперечна термоЕРС двошарового термоелемента досягає максимального значення коли величина електропровідності профільованого шару вдвічі більша за електропровідність непрофільованого шару термоелемента.

9. Експериментально підтверджено результати комп'ютерної оптимізації двошарових поперечних термоелементів з профільованою поверхнею. Показано, що результати коп'ютерного моделювання лежать всередині полоси похибки фізичного експерименту і є більш точними.

10. Комп'ютерним моделюванням двошарових термоелементів з металевими закорочуючими смужками, нанесеними на напівпровідниковий шар, показано можливість збільшення поперечної ЕРС в 2 - 6 разів.

11. Використання дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею дає можливість отримати більші значення поперечної ЕРС, потужності та ККД порівняно з анізотропними та короткозамкненими. Це розширює можливості практичних застосувань поперечних термоелектрорушійних сил.

Практичне значення одержаних результатів. В дисертації отримано результати, які мають як теоретичне, так і прикладне значення.

1.Створена теорія шаруватих термоелементів є теоретичною основою розробки об'єктно-орієнтованих комп'ютерних технологій моделювання і оптимізації термоелектричних пристроїв з неоднорідних, у тому числі функціонально-градієнтних і композитних термоелектричних матеріалів.

2.Результати розробки комп'ютерних технологій моделювання і оптимізації дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею мають практичне значення і є основою для вибору матеріалів та конструювання термоелементів, термоелектричних приладів і систем на їх основі.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 6 публікаціях, серед яких 5 статей у наукових фахових журналах та 1 патент України на винахід.

Особистий внесок здобувача. В роботах [1-6], виконаних сумісно із співавторами, автору належать: в роботі [1] - розробка комп'ютерної програми для моделювання фізичних процесів переносу тепла та електрики у косошаруватому термоелементі. Здійснено оптимізацію ККД косошаруватого термоелемента за кутом нахилу шарів та відношенням товщин шарів термоелемента; в роботах [2, 3] - розробка фізичної та комп'ютерної моделі двошарового та тришарового термоелементів з періодично профільованою поверхнею, оптимізація їх геометрії та поперчної термоЕРС; в роботі [4] - розрахунки і комп'ютерне моделювання шаруватих термоелементів з періодично профільованою поверхнею з враховуванням температурних залежностей кінетичних коефіцієнтів термоелектричних матеріалів; в роботі [5] - експериментальні дослідження двошарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею; в роботі [6] - розрахунки електричних та енергетичних параметрів двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на: XIІ міжнародній Школі-Форумі з термоелектрики (Чернівці, 2007); 6-th European Conference on Thermoelectrics ECT-2008 (Paris, France); XI Міжнародному семінарі „Термоелектрики та їх застосування” (Росія, Санкт-Петербург, 2008).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів основної частини, висновків та списку використаних у роботі літературних джерел. Робота викладена на 115 сторінках, містить 55 рисунків, 2 таблиці. Список використаних джерел нараховує 77 найменувань.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проведених досліджень та їх зв'язок з науковими програмами, планами і темами досліджень, які виконуються в Інституті термоелектрики. Сформульовано мету та задачі роботи. Показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про апробацію роботи, опублікування її матеріалів та особистий внесок автора.

У першому розділі подано огляд літератури, з якого випливає постановка задач дисертаційної роботи. Проаналізовано існуючі фізичні моделі поперечних термоперетворювачів, зокрема, короткозамкнених та штучно-анізотропних термоелементів.

Головна особливість поперечних термоелементів у тому, що їх електрорушійна сила виникає в напрямі, перпендикулярному до вектора градієнта температури .

Поперечна термоЕРС може виникати внаслідок природної анізотропії кристалів в анізотропних термоелементах [4*], штучної анізотропії в багатошарових шаруватих термоелементах [3*], гіротропії, викликаної магнітним полем у термомагнітних термоелементах [5*], а також в короткозамкнених термоелементах унаслідок примусового замикання поздовжньої термоЕРС закорочуючими провідниками [6*]. Використання поперечної термоЕРС дає можливість нарощувати електричну напругу, що генерується термоелементом, змінюючи відношення довжини термоелемента до його товщини вздовж градієнта температури.

У роботі [3*] досліджувалася можливість створення гетерофазного матеріалу з анізотропною термоЕРС. На прикладі штучно анізотропного матеріалу, що складається з паралельних шарів n- та p-типу провідності, здійснено аналітичні розрахунки такого термоелемента поперечного типу. Однак, виникає проблемна ситуація. Вона полягає в тому, що межі застосування апроксимації шаруватого неоднорідного середовища однорідним анізотропним середовищем до цих пір не з'ясовані і дослідники задовольняються загальними міркуваннями про те, що точність наближення тим вища, чим габарити поперечного термоелемента та більші за товщини шарів апроксимуючого неоднорідного середовища. Проте для одержання значної вихідної напруги товщину термоелемента уздовж градієнта температури слід зменшувати, для чого використовують, наприклад, тонкоплівкові поперечні термоелементи мікро- і навіть нанорозмірів. У таких випадках товщина термоелемента може бути сумірною з товщиною шарів і можливості використання такого підходу, очевидно, звужуються, а точність результатів вимагає з'ясування.

Огляд проведених досліджень поперечних термоелементів вказує на проблемну ситуацію і зумовлює задачі дисертації - порівняння результатів використання теорії поперечних термоелементів [3*] з даними комп'ютерного моделювання для визначення меж застосування апроксимації шаруватого неоднорідного середовища однорідним анізотропним та теоретичне й експериментальне дослідження властивостей нових типів термоелементів - дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею.

У другому розділі представлено два підходи до дослідження поперечних термоелементів - наближені теорії та комп'ютерне моделювання.

У вирішенні проблем оптимізації і вибору критеріїв вимог до матеріалів для поперечних термоелементів зі штучною анізотропією виникли два підходи. Перший ґрунтується на розвиненій в роботах [3*, 7*] теорії шаруватих термоелементів, де неоднорідне ізотропне шарувате середовище приблизно описується "ефективними" тензорними кінетичними коефіцієнтами однорідного анізотропного середовища.

Другий підхід - оптимізація поперечних термоелементів на основі моделювання фізичних полів у комп'ютерних експериментах.

Відповідно до розвиненої в [3*] теорії, поперечна термоЕРС багатошарового поперечного термоелемента з двокомпонентного композитного термоелектричного матеріалу визначається виразом

, (1)

де - перепад температур на термоелементі,

,

,

,

,

, (2)

,

,

. (3)

За формулами (1)-(3) було розраховано параметри поперечного термоелемента для випадку першої компоненти - метал (мідь) та другої компоненти - напівпровідникового термоелектричного матеріалу p-типу на основі Bi2Te3. Співвідношення товщин шарів , діапазон параметра від 0.25 до 5, . Кут нахилу площини шарів до напрямку градієнта температури . Для таких же матеріалів і геометричних параметрів за розробленою в Інституті термоелектрики комп'ютерною технологією моделювання фізичних полів у неоднорідних термоелектричних середовищах [8*] було реалізовано комп'ютерну модель поперечного термоелемента. При цьому враховано температурні залежності параметрів матеріалів шарів та змодельовано неоднорідне температурне поле в робочому тілі термоелемента.

Було отримано розподіл електричного потенціалу в термоелементі у режимі холостого ходу, з якого визначалася ЕРС термоелемента. Картина

еквіпотенціальних ліній суттєво відрізнялася від однорідного електричного поля в анізотропному термоелементі з однорідного матеріалу за постійного градієнта температури. За рахунок цих розбіжностей наявна різниця між ЕРС термоелемента , розрахованою згідно з теорією [3*] та , отриманою в результаті комп'ютерного моделювання (рис. 1). У всьому дослідженому діапазоні відношень товщини термоелемента до сумарної товщини шарів теорія дає завищені значення . Коли близько 5 похибка теорії становить майже 7%, але за вона різко зростає. Наприклад, для

перевищує більше як утричі.

Таким чином, за товщини шаруватих поперечних термоелементів, сумірних з товщиною шарів, перевагу слід віддавати комп'ютерному моделюванню, а не навіть і популярній, але наближеній теорії.

У третьому розділі подано опис фізичної та математичної моделей двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею та проведено багатопараметричну оптимізацію термоелемента з врахуванням температурної залежності кінетичних коефіцієнтів та ефекту Томсона.

Двошаровий термоелемент з періодично профільованою поверхнею, як показано на рис.2, являє собою брусок з матеріалу, що складається з двох шарів п- та р- типу провідності [6].

Один із шарів термоелемента має періодичну профільну поверхню із системою ребер та заглибин, які орієнтовані під кутом до граней бруска. Грані 7 та 8 термостатовані при різних температурах Т1 та Т2 . Інші зовнішні сторони термоелемента знаходяться в умовах теплової ізоляції. Електричні контакти являють собою тонкі металеві шари з високою електропровідністю і тому є практично еквіпотенціальними в межах одного контакту.

Для моделювання розподілів струму, потенціалу і температури в двошаровому термоелементі з періодично профільованою поверхнею були використані закони збереження енергії та електричного заряду.

Закон збереження енергії

,(4)

де - густина потоку енергії

.(5)

В (5) - густина потоку тепла, - електричний потенціал, - густина електричного заряду

, (6)

П- коефіцієнт Пельтьє, який зв'язаний з температурою співвідношенням Томсона

,(7)

,(8)

 - температура, , , - коефіцієнти термоЕРС, питомої електропровідності та теплопровідності матеріалу термоелемента. Коефіцієнти , , вважаються ізотропними, тобто скалярними величинами.

Підставивши (5), (6) в (4) отримаємо:

.(9)

Використавши (7) та (8) рівняння (9) для знаходження розподілу температури набуде вигляду:

.(10)

Для знаходження розподілу потенціалу скористаємося законом збереження електричного струму .(11)

Підставивши (8) в (11) отримаємо наступне рівняння:

.(12)

Рівняння (10) та (12) є диференціальними рівняннями із змінними коефіцієнтами другого порядку, які описують розподіл температури та потенціалу в неоднорідному термоелектричному середовищі. Дані рівняння необхідно розв'язувати з наступними граничними умовами:

- термостатування двох протилежних граней термоелемента (на рис.2 позначених 7 та 8)

,(13)

- теплоізоляція всіх інших граней термоелемента

,(14)

- електрична ізоляція усіх граней

,(15)

де - вектор нормалі до грані термоелемента.

Для комп'ютерного моделювання роботи двохшарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею в режимі генерації електричної енергії використовувалася програма Femlab, що дозволяє змоделювати задачу (10)-(15). Тут загальне рівняння має наступний вигляд

, (16)

де

,

,

,

,

,

,

.(17)

Із аналізу виразів (10), (12) та (16) слідує, що рівняння (16) можна спростити до виду

. (18)

Диференціальне рівняння для компонент матриці має вигляд:

. (19)

Порівнюючи закони збереження у вигляді (10) та (12) з рівняннями (19) отримаємо коефіцієнти для комп'ютерної моделі:

. (20)

У випадку, коли параметри шарів термоелемента залежать від просторових координат як безпосередньо, так і неявно через абсо-лютну температуру , яка в свою чергу теж залежить від координат

(21)

матричні нелінійні коефіцієнти рівняння (16) набудуть вигляду

(22)

Комп'ютерну модель двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею реалізовано у вигляді сітки трикутних кінцевих елементів середовища.

З допомогою описаної вище математичної та комп'ютерної моделей двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею проведено багатопараметричну оптимізацію даного термоелемента.

Розрахунки проводилися для термоелемента з матеріалів на основі Bi2Te3. З результатів комп'ютерного моделювання встановлено, що для будь-якої геометрії та термоелектричних параметрів шарів термоелемента чим менша величина (рис. 3), тим більша поперечна термоЕРС термоелемента, а відповідно і його ККД. Поперечна термоЕРС є немонотонною функцією і досягає максимуму за певних значень “шпаруватості” д1/д2 (рис.3) профільованого шару.

Було показано, що для будь-якої “шпаруватості” профільованої поверхні поперечна термоЕРС досягає максимального значення, коли величина електропровідності профільованого шару вдвічі більша за електропровідність нижнього шару термоелемента.

Встановлено, що зі збільшенням відношення товщин профільованого та не профільованого шарів термоелемента величини ЕРС та ККД збільшуються. Залежності ЕРС та ККД термоелемента від відношення геометричних розмірів є монотонними функціями, які зростають зі збільшенням величини .

Для знаходження залежностей ЕРС та ККД від перепаду температур і кута нахилу ребер профільованого шару термоелемента було взято значення та .

На рис. 4 та 5 показано, що зі збільшенням перепаду температури на термоелементі ЕРС та ККД зростають.

Кутова залежність поперечної термоЕРС та ККД (рис.6 та 7) даного термоелемента із заданими параметрами шарів є не монотонною і досягає максимуму, коли кут нахилу ребер профільованого шару близько .

Із рис. 4 - 7 видно, що залежності 1 та 2 мають подібний характер. Тим не менше нехтування температурними залежностями кінетичних коефіцієнтів у розрахунках ЕРС та ККД двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею призводить до завищення результатів у середньому на 30%.

В даному розділі було також розглянуто коротко-замкнені термоелементи як окремий випадок двошарових профільованих. Дійсно, як це видно з рис.8, якщо товщина прошарку під ребрами профільованого шару дорівнює нулю, то шар закорочують ізольовані один від одного смужки другого шару . Для цього випадку було проведено комп'ютерне моделювання теплових і електричних полів в термоелементі. Відповідно до рекомендацій Х. Дж. Голдсміта [9*] матеріали шарів слід вибирати з максимально можливим контрастом чисел Лоренца для першого і другого шару. Тому в моделі короткозамкненого термоелемента другий напівпровідниковий шар був замінений металом - міддю. Результати моделювання наведено на рис.8, з якого видно, що використання металевих закорочуючих смуг може в 2-6 разів збільшити поперечну термоЕРС, котра генерується термоелементом.

Четвертий розділ присвячено теорії тришарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею.

Тришаровий термоелемент з періодично профільованою поверхнею, як показано на рис.9, являє собою брусок з матеріалу, що складається з трьох шарів п-р-п або р-п-р типів провідності. Зовнішні шари термоелемента мають періодичну профільну поверхню із системою ребер та заглибин, які орієнтовані під кутом до граней бруска.

Шарувата структура із шарів з різними термоелектричними властивостями може розглядатися як штучно анізотропне середовище. Таким чином, наявність перепаду температури між відповідними гранями тришарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею призводить до виникнення електричного струму і термоЕРС у напрямі, перпендикулярному до теплового потоку [2*]. Це явище аналогічне поперечному ефекту Зеєбека в анізотропному середовищі.

Аналогічно двошаровому термоелементу, описаному у третьому розділі, було розроблено математичну та комп'ютерну моделі тришарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею та на їх основі проведено оптимізацію даного термоелемента.

Встановлено, що поперечна термоЕРС зростає пропорційно величині відношення геометричних розмірів термоелемента і для заданих значень коефіцієнтів термоЕРС шарів термоелемента () та різниці температур (), коли термопара дає поперечну термоЕРС , двошаровий термоелемент з періодично профільованою поверхнею уже за генерує термоЕРС (при цьому кількість ребер профільованого шару термоелемента становить ), а тришаровий термоелемент - (при цьому кількість ребер профільованих шарів термоелемента - ).

Оптимальне значення поперечної термоЕРС термоелемента змінюється залежно від “контрасту” електропровідностей профільованих шарів термо-елемента і внутрішнього шару (рис.9) для різної “шпаруватості” шарів.

Поперечна термоЕРС розглядуваного термоелемента виходить на насичення з рівною 30 кількістю ребер профільованого шару для заданої конфігурації термоелемента. Це дає можливість раціонально розміщувати ребра і полегшує виготовлення термоелементів такого типу.

Виявлено оптимальне значення поперечної термоЕРС тришарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею під час дослідження кутової залежності .

З рис.10 видно, що величина поперечної термоЕРС досягає максимуму, коли кут нахилу ребер профільованих шарів близько як для тришарового, так і для двошарового термоелементів. Для тришарового термоелемента, у якого ребра профільованих шарів нахилені під різними кутами одне до одного, величина термоЕРС досить мала і не має чітко вираженого максимуму.

В розділі п'ятому викладено результати експериментальних досліджень двошарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею для визначення ЕРС, потужності та ККД, які було проведено для перевірки результатів комп'ютерного моделювання.

Для цього було виготовлено зразки з поперечним перерізом 4Ч3.5 мм2 та довжиною 10 мм. Товщина суцільного непрофільованого шару 1.5 мм, товщини в профільованому шарі 0.2 мм та 2.3 мм (рис.11). Ширина ребра профільованого шару - 0.24 мм, ширина пазу - 0.67 мм. Результати вимірювання залежності поперечної термоЕРС та потужності від перепаду температур на термоелементі та відповідних комп'ютерних експериментів наведено на рис. 12 та 13.

Максимальна відносна похибка вимірювань складає ± 5%, а максимальне розходження між комп'ютерним та фізичним експериментом для визначення потужності термоелемента не більше 6% і лежить в межах похибки експерименту.

Було показано, що відхилення розрахованих та експериментально отриманих значень для ККД складає не більше 10%.

багатошаровий термоелемент електричний

Основні результати і висновки

Визначено границі застосування теорії багатошарових шаруватих термоелементів. Показано, що апроксимація шаруватого неоднорідного середовища однорідним анізотропним середовищем, завищує значення поперечної ЕРС термоелементів. У разі товщин термоелементів, сумірних та менших за товщини шарів, похибка теорії різко зростає.

Вперше сформовано фізичну та розрахункову моделі нових типів термоелементів - дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею.

Розроблено комп'ютерну модель двошарового та тришарового термоелементів, яка дає можливість з урахуванням температурної залежності та просторової неоднорідності кінетичних коефіцієнтів матеріалів шарів термоелемента отримати розподіли температури, потенціалу та струму в робочому тілі термоелемента, а також розрахувати ЕРС, потужність та ККД.

Показано, що для термоелектричних матеріалів на основі Bi2Te3 врахування температурних залежностей кінетичних коефіцієнтів призводить до зменшення розрахованих значень поперечної термоЕРС та ККД на ~30%.

Вперше встановлено оптимальну геометричну конфігурацію дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею для досягнення максимальної ефективності та полегшення виготовлення таких типів термоелементів.

Виявлено оптимальне значення поперечної термоЕРС та ККД двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею під час дослідження кутової залежності і залежностей ЕРС та ККД від перепаду температур на термоелементі. Комп'ютерним моделюванням встановлено, що поперечна термоЕРС залежить від кута нахилу ребер профільованого шару не за законом косинуса, а визначається деякою функцією .

Встановлено, що поперечна термоЕРС та ККД двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею зростає пропорційно величині відношення геометричних розмірів та відношення товщин профільованого і не профільованого шарів термоелемента.

Поперечна термоЕРС двошарового термоелемента досягає максимального значення коли величина електропровідності профільованого шару вдвічі більша за електропровідність непрофільованого шару термоелемента. Однак, оптимальне значення поперечної термоЕРС тришарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею змінюється залежно від “контрасту” електропровідностей профільованих шарів термоелемента і внутрішнього шару для різної “шпаруватості” шарів.

Комп'ютерним моделюванням двошарових термоелементів з металевими закорочуючими смужками, нанесеними на напівпровідниковий шар, показано можливість збільшення поперечної ЕРС в 2 - 6 разів.

Вперше експериментально підтверджено результати комп'ютерної оптимізації двошарових поперечних термоелементів з профільованою поверхнею. Показано, що результати комп'ютерного моделювання лежать всередині полоси похибки фізичного експерименту.

Використання дво- та тришарових термоелементів з періодично профільованою поверхнею дає можливість отримати більші значення поперечної ЕРС, потужності та ККД порівняно з анізотропними та короткозамкненими. Це розширює можливості практичних застосувань поперечних термоелектрорушійних сил.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Анатичук Л.І., Лусте О.Я., Ніцович О.В. Косошаруватий штучно-анізотропний термоелемент // Термоелектрика. - №2. - 2005. - С.52-59.

2. Анатичук Л. І., Лусте О. Я., Ніцович О. В. Комп'ютерне моделювання процесів перетворення енергії у двошаровому термоелементі з періодично профільованою поверхнею // Термоелектрика. - 2007. - №2. - С.74-82.

3. Анатичук Л. І., Лусте О. Я., Ніцович О. В. Комп'ютерне дослідження поперечної термоЕРС у тришаровому термоелементі з періодично профільованою поверхнею // Термоелектрика. - 2007. - №3. - С.23-29.

4. Анатичук Л. И., Лусте О. Я., Ніцович О. В. Температурні залежності параметрів двошарового термоелемента з періодично профільованою поверхнею // Термоелектрика. - 2008. - №2. - С.32-40.

5. Ніцович О. В. Два підходи до дослідження поперечних термоелементів - наближені теорії і комп'ютерне моделювання // Термоелектрика. - 2008. - №3. - С.24-31.

6. Патент (UA) №82930. МПК Н01L 35/02. Термоелемент /Анатичук Л.І., Лусте О. Я., Ніцович О. В. - Опубл. 26.05.2008, бюл. №10. Заявка а 2006 08256 від 24.07.2006.

7. Anatychuk L. I., Kobylyanskiy R.R., Kuz' R. V., Luste O. J., Nitsovich O. V., Pribyla A. V. New thermoelement types / ЕСТ 2008, 6 -th European Conference on Thermoelectrics. July 2-4. - 2008 - Paris, France. - Р. 1-14.

Размещено на Allbest.ru

...