СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 Сила сжатия Рессора Сброс тепла Источник тепла ТГМ Провода Холодная сторона Горячая сторона 5 30 30 8,8 (–) (+) 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 50 100 150 200 250 300 ZT T, ° C Показатель эффективности (часто называемой добротностью) термо- электрического преобразования полу- проводникового вещества имеет нели- нейную зависимость от температуры, с точкой максимума при некоторой температуре. Правильный выбор этой точки определяет эффективность тер- моэлектрического преобразования в модуле. Для расчёта эффективности термоэлектрического преобразования используют формулу: Z = α 2 × σ / k, где α – коэффициент термоЭДС (В/К), σ – удельная электропроводимость (См/м), k – удельная теплопрово- дность (Вт/(м × К)). Для данного пред- ставления добротность имеет размер- ность K –1 . На практике для получения безразмерной величины добротности используют величину ZT. Результаты измерений добротности стандартно- го генераторного модуля представле- ны на рисунке 4. Изготовление термопар из полупро- водника с максимальной эффективно- стью преобразования, лежащей вбли- зи средней температуры эксплуатации (исходя из предположения, что тем- пература равномерно распределяется вдоль ветвей), позволяет реализовать наивысший КПД генераторной систе- мы. Это существенное положительное отличие ТГМ, разрабатываемых и выпу- скаемых высокотехнологичными оте- чественными компаниями от аналогич- ной продукции компаний из КНР. Для эффективной работы ТГМ необ- ходима не только оптимизированная для рабочих температур эффектив- ность термоэлектрического вещества, но и оптимальное сочетание мини- мального электрического внутреннего сопротивления с максимальным тепло- вым сопротивлением. Последнее дости- гается специальными добавками редко- земельных металлов, обеспечивающих ионный и электронный типы проводи- мости и придающих желаемые свой- ства полупроводнику. Наименьшая теплопроводность необходима для создания максималь- ного падения температуры на термо- парах. Уменьшить теплопроводность ТГМможно за счёт увеличения высоты термоэлектрических элементов, одна- ко при этом происходит нежелатель- ное пропорциональное увеличение внутреннего электрического сопро- тивления и снижение вырабатывае- мой мощности. Любая термоэлектрическая генера- торная система должна обеспечить протекание теплового потока через ТГМ. Этот поток создаёт разность тем- ператур на тепловом сопротивлении термоэлектрического модуля. В общем случае, для организации теплового потока, необходим источник тепла, устройство передачи тепла к ТГМ, а так- же устройство отвода тепла в окружа- ющую среду (см. рис. 5). Как было отмечено ранее, в практи- ке применения термоэлектрическо- го преобразования теплового пото- ка в электрическую энергию термо- электрические генераторные модули могут быть оптимизированы для раз- личных рабочих температур. Для полу- чения максимальной эффективности при работе на максимальной разности температур (например 30 ° С по холод- ной стороне и 250 ° С по горячей) гене- раторный модуль может быть разделён на два каскада, в каждом из которых вещество будет оптимизировано для своей рабочей температуры (см. рис. 6). В этом случае термоэлектрические вет- ви в каждом каскаде работают с макси- мальной эффективностью, обеспечи- вая наивысший КПД преобразования (до 8% в составе термоэлектрического генератора). В зависимости от доступной мощ- ности (плотности) теплового пото- ка, а также от способа отвода тепла от охлаждаемой стороны ТГМ в окружа- ющую среду, конструкция термоэлек- трического генератора (ТЭГ) меняется. Обычно тепло отводится с помощью жидкостного или воздушного ради- атора. Жидкостный радиатор имеет минимальное тепловое сопротивле- ние и позволяет получить максималь- ный перепад температур, но требу- ет дополнительных устройств (насос, внешний теплоотвод). Воздушный радиатор может эксплуатироваться с естественной конвекцией или с уси- ленной дополнительным обдувом (за счёт тяги вытяжной трубы или венти- лятора, запитываемого от ТГМ). Термоэлектрический генераторный модуль выбирается, исходя из техниче- ски доступного способа отвода тепла в окружающую среду, причём для воз- Рис. 4. Зависимость добротности стандартного ТГМ от средней рабочей температуры Рис. 5. Базовая конструкция термоэлектрического генератора Рис. 6. Пример конструкции двухкаскадного ТГМ