Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Основной приоритет научных исследований на территории России принадлежит области использования и добычи нефти, природного газа, угля.

Вступив в рыночные отношения и выйдя со своей продукцией на международный рынок, производители обнаружили, что энергоемкость нашей продукции в несколько раз выше, чем у западных производителей. Для обогрева помещений, находящихся в аналогичных климатических условиях, мы тратим в несколько раз больше энергии, чем в других странах. Это означает, что все производители сталкиваются с высокой стоимостью энергоресурсов, а в последние годы ещё и с постоянным ростом их стоимости, а значит, со снижением конкурентоспособности их продукции. Для увеличения энергоэффективности производства многие производители ищут более перспективные и надежные варианты снабжения энергоресурсами. Проведенный нами анализ показал, что в Иркутской области, несмотря на климатические условия, параллельно с традиционными источниками энергии в имеющиеся системы жизнеобеспечения, в качестве резервного источника энергии устанавливаются приборы, работающие от солнечной энергии [1–3]. В основном предпочтение отдается солнечным системам горячего водоснабжения, так как в подавляющем большинстве, в отдаленных районах, где в основном и сконцентрировано промышленное производство, с окончанием отопительного сезона исчезает горячее водоснабжение. Внедрение других альтернативных источников энергии ведется в незначительных масштабах. Исключением могут служить генераторы электрической энергии малой мощности, также работающие от солнечной энергии. Несмотря на то, что прибыль от внедрения таких систем не может покрыть расходы, приборы находят широкое применение, так как отсутствие постоянного и стабильного источника электрической энергии, в современных условиях может привести к более серьезным материальным затратам. Несмотря на наши климатические условия, определенную сложность в эксплуатации, высокую стоимость и вероятность того, что прибыль от внедрения таких систем не сможет покрыть расходы, приборы находят широкое применение [4–6].

Резервные источники электроснабжения очень популярны в нашем регионе, так как обширные территории, климатические условия, разветвленные и устаревшие сети не всегда позволяют гарантировать потребителям стабильные поставки энергии. Долгие годы вопрос об использовании возобновляемой энергии в энергетическом комплексе России практически не рассматривался, в основном из-за огромных запасов энергетического сырья. Интерес к данной области исследования стал проявляться в последнее время [7], с одной стороны, это связано с желанием снизить энергетические затраты при обслуживании зданий различного назначения, с другой, связано с повышением качества жизни людей, проживающих за чертой города.

Внедрение генерирующих устройств, работающих на солнечной энергии, началось с момента, когда КПД данных приборов перешел отметку в 7 %, при значениях 5–6 % применялись только тонкопленочные гибкие панели, изготовленные из аморфного кремния. Когда у солнечных батарей КПД стал находиться в диапазоне от 15 % до 25 %, произошел качественный скачок в их практическом применении [8]. С внедрением солнечных батарей открылась новая эра практического использования полупроводниковых материалов, так как новые открытия в одной области науки всегда приводят к качественным переменам в сопутствующих областях. Например, в области термоэлектричества. На текущий момент КПД термоэлектрических материалов и КПД материалов, используемых для производства фотоэлементов, находится на одном уровне, но производство фотоэлементов пока проще и дешевле. В отличие от фотоэлементов, на КПД термоэлектрических систем в большей степени оказывают влияние проектно-технические решения, чем электрофизические характеристики применяемых материалов [9–10]. Классические термоэлектрические модули изготавливаются путем последовательного размещения проводников n- и p-типа между двух керамических подложек. Расстояние между керамическими подложками определяется высотой проводников n- и p-типа, обычно это 1–3 мм, при этом проводники обладают хорошей теплопроводностью, и это является определяющим фактором, снижающим КПД. В основном данную проблему решают с помощью установки на внешнюю сторону термоэлектрического модуля радиатора, но их площадь незначительна, поэтому конструктивные решения при проектировании радиаторов нагрева и охлаждения не дают значительных результатов. Новые конструктивные решения [11–12], применяемые в области проектирования термоэлектрических модулей, показали, что это упрощает конструкции систем, снижает стоимость и увеличивает эффективность. Но при этом предлагаемые технические решения сложно применить при массовом производстве.

Технико-экономическое обоснование применения новых технических решений при конструировании термоэлектрических модулей применительно к различным энергетическим системам. На текущий момент применение термоэлектрических модулей обосновано при малых мощностях и в системах охлаждения электронной техники. С применением новых конструктивных решений расширяется спектр применения данных систем. Нашими исследованиями мы показываем, что научные исследования в области термоэлектрических систем находятся на переломном этапе, когда их применение становится целесообразным в энергетических системах различной мощности.

Материалы и методы исследования

Эксперименты проводились на территории Иркутского национального исследовательского технического университета в лаборатории «Современное нагревательное оборудование».

Для измерения температурных параметров макетов энергетических систем и параметров термоэлектрических модулей использовался специализированный стенд, изготовленный на основе измерителя-регулятора ТРМ 138, универсального восьмиканального измерителя-регулятора. Сигналы с термопар обрабатывались штатным программным обеспечением, поставляемым совместно с приборами (Owen Process Manager).

Контроль напряжения, потребляемого тока, мощности осуществлялся прибором фирмы «ОВЕН» марки ИМС-Ф1.Щ1.

Результаты исследования и их обсуждение

Классический вид одного элемента термоэлектрического модуля представлен на рис. 1, позиция «а», где 1 – это токоподводящая дорожка холодного контакта, 6 – токоподводящая дорожка горячего контакта, движение теплового потока в полупроводнике (2, 5) осуществляется от одного контакта к другому. Для увеличения КПД были предприняты российскими и зарубежными учеными конструктивно-технические решения по разделению полупроводника (позиция «б») на горячую и холодную зону, разместив между ними теплоизолирующий слой 4, соединив их дополнительной токопроводящей шиной 3, при этом получается двухкаскадный термоэлектрический модуль. Благодаря данному техническому решению, КПД многокаскадных термоэлектрических систем стал выше 30 %, что поставило их на один уровень с солнечной энергетикой.

Если внимательно проанализировать фигуру «б», видно, что если оба каскада перенести в одну плоскость и сориентировать полупроводники в одной полярности, то мы получим термоэлектрический модуль одностороннего действия. Если данные модули собрать в блоки, то получится термоэлектрический модуль с пространственной ориентацией сторон [13–14]. При этом, в зависимости от уровня электропроводности токоведущих шин, расстояние между теплопередающими сторонами можно значительно увеличить, измеряя его не единицами миллиметров, а десятками, снизив взаимное влияние практически до нуля. Наши научные исследования проводились в направлении оптимизации геометрических размеров. Обычно работы по оптимизации геометрических размеров заключаются в правильном подборе соотношения между сопротивлением модуля (R) и тепловодностью p- и n-элементов (G), так как эффективность термоэлектрического модуля имеет обратную зависимость от этих параметров. Сопротивление и теплопроводность зависят от площади проводника (S), его длины (l), от удельной электропроводности (σ) и удельной теплопроводности (λ):

При расчете эффективности термоэлектрического модуля фактически учитывается отношение удельной теплопроводности к удельной электропроводности, так как добротность термоэлектрического модуля рассчитывается по формуле

где α – коэффициент Зеебека, а R и G – это две взаимозависимые величины. Как известно, с увеличением электропроводности увеличивается теплопроводность, и наоборот. В конструкции классического термоэлектрического модуля p- и n-элементы расположены перпендикулярно теплопередающим поверхностям, параллельно друг к другу на таком расстоянии, что тепловой поток распределен практически равномерно и направлен от одной поверхности к другой, потери в окружающую среду практически отсутствуют. Предложенное конструктивно-техническое решение позволило изменить конструкции термоэлектрических элементов с классического вида «а», как это показано на рис. 1, на вид «б». На данную разработку получен патент РФ № 2663748 [15].

Для сравнительных испытаний разрабатывались и изготавливались модули различных конструкций, в зависимости от типа энергетической системы и технологических возможностей закрепления модулей на источники «тепла» и «холода». Модули классического типа приобретались у ведущих производителей и устанавливались в конструкцию с радиаторами. Радиаторы рассчитывались в соответствии с методиками, представленными в своих публикациях ведущими учеными, работающими в этой области исследования.

В табл. 1 представлены результаты испытания классических термоэлектрических модулей, изготовленных для среды «вода» – «вода» № 1, «воздух» – «вода» № 2, «воздух» – «воздух» № 3, ΔT °C – это градиент температуры, при котором проводились испытания. Измерения проводились при нагрузке в 4 Ом, ток сборки превышал значение 10 А.

В табл. 2 представлены результаты испытания термоэлектрических модулей, изготовленных по запатентованной технологии, для аналогичных сред.

На рис. 2 представлен график изменения напряжения на классическом термоэлектрическом модуле в зависимости от токовой нагрузки, а на рис. 3 представлен график изменения напряжения на авторском термоэлектрическом модуле. Испытания проводились в среде «воздух» – «вода».

Из проведенного эксперимента видно, что электрофизические показатели запатентованной конструкции выше, чем у классических термоэлектрических модулей. Кроме этого, необходимо учитывать, что при испытании авторского термоэлектрического модуля не использовались радиаторы, стоимость которых в восемь раз выше стоимости классического термоэлектрического модуля.

Заключение

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что дополнительные конструктивно-технологические решения повышают эффективность термоэлектрических систем в среднем на 16,5 %, при этом снижая её стоимость в 8 раз. При этом можно с полной уверенностью утверждать, что современное состояние научных знаний в области термоэлектричества должно сменить общую концепцию о том, что применение термоэлектрических преобразователей оправдано только в электронной промышленности при мощностях до нескольких десятков ватт. Наши исследования показывают, что в области создания энергосберегающих технологий термоэлектрические системы нового поколения займут достойное место.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Иркутской области в рамках научного проекта № 20-48-380002.