книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

нений термоэлектрических характеристик. Позднее эти результа­ ты были подтверждены опытом эксплуатации установки «Ромашка»,

вкоторой кремний-германиевые элементы проработали 15 тыс. часов

впотоке быстрых нейтронов.

Вработе [44] приведены результаты экспериментов по облучению

нистую поликристаллическую форму, а другие сплавы использова­ лись как в форме крупнозернистых поликристаллов, таки в спечен­ ном виде. Облучение проводилось на реакторе HIFAR Комиссии по атомной энергии Австралии интегральным потоком тепловых ней­ тронов 2 • 1018 нейтрон!см2. Термоэлектрические свойства до и

после облучения измерялись при температуре 300° К. Измерение облученных образцов проводилось через несколько месяцев после их удаления из реактора с целью снизить наведенную активность до безопасного уровня. До начала заключительных измерений облу­ ченные образцы помещали в вакуум, чтобы предотвратить их окис­ ление. Результаты испытаний образцов указаны в табл. 4.5.

Т а б л и ц а 4.5

Изменение термоэлектрических свойств материалов до и после облучения тепловыми нейтронами

Электропроводность спеченного материала B i2Te3 — Sb2Te3 снизилась на 5%, а поликристаллического сплава Bi2Te3 — Bi2Se3

на 17%.

В поликристаллических материалах, как указывают авторы, сни­ жение электропроводности обусловлено в основном изменением кон­ центрации носителей, а в спеченных материалах — изменением по­ движности носителей.

Н. Ф. Правдюк и др. [45] исследовали влияние реакторного из­ лучения на свойства термопарных материалов, таких, как констан-

76

тан, копель, алюмель и др. Образцы выбранных материалов отжи­ гались в течение 3 ч при 700° С и затем загружались в реактор РФТ. После облучения интегральным потоком 1019— 1020 нейтрон/см2

составлялась пара из необлученного образца-свидетеля и облучен­ ного образца и измерялось изменение термоэлектрических свойств для каждого материала. С целью устранения возможности отжига холодные спаи образцов находились при температуре жидкого азота (— 196° С), а горячие спаи — при 25° С. Приведенные в табл. 4.6 данные показывают, что знак изменения ТЭДС у исследованных

висмутом, медью и сурьмой, а также бинарных сплавов РЬТе, леги­ рованных РЫ2 и РЬС12. Образцы приготовлялись методом порош­ ковой металлургии и в течение длительного времени отжигались для снятия неоднородности свойств прессованных материалов. Измере­ ния электрических параметров (электрической проводимости и ТЭДС) проводились как в процессе облучения в реакторе, так и пос­ ле облучения.

Образцы помещались в экспериментальный неохлаждаемый ка­ нал активной зоны реактора и облучались потоком плотностью 3 —

до 500—550° С. Эта температура близка к рабочей температуре ис­ следуемого типа среднетемпературного материала.

Для исследований были выбраны образцы теллурида германия двух типов: легированные висмутом (2,6%) и легированные висму­ том (5,2%) и медью (0,9%) На этих образцах снималась температур­ ная зависимость электропроводности при облучении и без облучения (контрольные образцы). Образцы, облучаемые в течение 1— 1,5 ч, получили интегральную дозу до 1017 нейтрон/см2. При t ж 500° С

77

Г Л А В А 5

КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ТЭЭЛ

§ 5.1

Конструктивные схемы ТЭЭЛ

В в е д е н и е . Основным узлом конструкции ТЭГ является термоэлектрический элемент, в котором происходит преобразование тепловой энергии в электрическую. Предложено и осуществлено боль­ шое количество конструктивных модификаций ТЭЭЛ. Ветви ТЭЭЛ могут быть из одного или нескольких ТЭМ, иметь цилиндрическую, призматическую, кольцевую, ленточную, пленочную или любую другую форму, могут предназначаться для работы в вакууме, на воздухе, под давлением инертных газов и т. п. Подвод тепла и охлаж­ дение спаев может осуществляться теплоносителем, непосредствен­ ным контактом ТЭЭЛ с источником тепла и холода или посредством лучеиспускания. Соединительные шины, изоляция, коммутацион­ ные припои и другие вспомогательные узлы могут быть сильно раз­ виты или вовсе отсутствовать.

На рис. 5.1 показана принципиальная схема соединения ТЭЭЛ в батарею.

Разрабатывавшиеся в последнее время конструктивные схемы ТЭЭЛ, применяемых в промышленности, отличаются большим раз­ нообразием. Исходная принципиальная схема наиболее совершен­ ного слоистого ТЭЭЛ с основными элементами конструкции приве­ дена на рис. 5.2. Однако в большинстве случаев конструктивное осу­ ществление ТЭЭЛ сильно отличается от этой исходной схемы по фор­ ме ветвей, конструкции соединительных шин, назначению, источни­ ку тепла, твердому или жидкому состоянию полупроводника и т. д. Ниже указаны некоторые схемы ТЭЭЛ, используемые в ТЭГ, а так­ же схемы ТЭЭЛ, представляющие интерес для будущих разработок (схемы ТЭЭЛ, применявшиеся в начальный период развития термо­ электрической энергетики, указаны в гл. 1).

Т Э Э Л с з а п р е с с о в а н н ы м и э л е к т р о д а м и . Ис­ пользуя порошковую металлургию, можно изготавливать термоэле­ менты из константана с запрессованными электродами. Металличе­ ская ветвь может быть из прутка или ленты. Выходящие наружу кон­ цы ветви после прессовки каждого столбика сваривают для получе­ ния блока из нескольких ТЭЭЛ. На рис. 5.3 показан такой блок из нескольких ТЭЭЛ.

Технология изготовления ветвей ТЭЭЛ с запрессованными в них электродами заключается в том, что с помощью пресс-формы полу-

79

чают заготовку на несколько (8— 16 ветвей) термоэлементов с соот­ ветствующим количеством пар запрессовываемых контактов. На рис. 5.4 схематически показана такая заготовка из SbZn и константановой проволоки. Заготовка в дальнейшем разрезается на отдель-

Рис. 5.1. Принципиальная схема батареи из трех ТЭЭЛ:

1 — коллектор подвода горячего теплоносителя; 2 и 8 — электри­ ческая изоляция между коллекторами горячего или холодного теплоносителя и токопроводами; 3 и 7 — токопроводы; 4 — комму­ тационный припой горячего спая; 5 — ТЭМ п- или р-типа; 6 — коммутационный припой холодного спая; 9 — коллектор подвода

охлаждающего теплоносителя; R — полезная загрузка.

ные ветви ТЭЭЛ, как это показано на рис. 5.4 пунктиром, карборун­ довыми дисками, вращающимися с большой скоростью. Соединение ветвей в батарею проводится при помощи электросварки. Этим спо-

Рис. 5.2. Схема термоэлектриче­ ского элемента:

спая; 3 — коммутационный припой го­

спая; 8 — соединительные шины хо­ лодного спая; 9 и /4 —изоляция; — отвод тепла хладагентом; 11 — соеди­ нительные шины холодного спая; 12 — «-ветвь (холодная часть); 13 — р-ветвь

(горячая часть).

собой изготавливались батареи ТЭЭЛ для генераторов ТГК-Ю и других ТЭГ мощностью 16—3бет, описанных в гл. 6. Особенности

изготовления ТЭЭЛ методом порошковой металлургии осветили А. Н. Воронин и Р. 3. Гринберг [1]. Они оценили влияние термооб-

80

логии. В таких ТЭЭЛ можно обеспечить хорошую компенсацию температурных деформаций и свести к минимуму потерю темпера­ турного градиента. Подобная конструкция ТЭЭЛ применялась в СССР для некоторых ТЭГ на жидком топливе.

Т Э Э Л с г и б к и м и к о м м у т и р у ю щ и м и ш и н а - м и. Для уменьшения термических напряжений в ТЭЭЛ создают воз­ можность некоторого изменения размеров коммутирующих шин при

сировать изменение геометрических размеров батареи при нагревании и охлаждении. Таким звеном может быть изогнутая часть шины, деформирующаяся тонкая лен­ та, проволока и т. д.

Именно такой способ компенсации термических расширений ис­ пользован в конструкции ТЭГ СНАП-ЮА, описанного в гл. 8. В этом случае 72 столбика из кремний-германиевого сплава жестко крепятся на внешних поверхностях трубок, по которым с помощью

шения ТЭЭЛ.

К недостаткам конструкции ТЭЭЛ с гибкими компенсаторами в соединительных шинах следует отнести увеличение общей площади батареи ТЭЭЛ из-за большого расстояния между термостолбиками. Это приводит к непроизводительным утечкам тепла и заметному уве­ личению веса установки.

Г е р м е т и з и р о в а н н ы й Т Э Э Л с п р и ж и м н ы м и к о н т а к т а м и . В некоторых конструкциях ТЭГ контакт источ­ ника тепла и термоэлемента и контакты в самой термоэлектрической цепи достигаются с помощью пружин, сильфонов или других пру-

82

жинящих деталей. Такой способ создания контактов дает возмож­ ность компенсировать термические расширения ТЭЭЛ за счет при­ жимных пружин, а в сочетании прижимных контактов с гибкими соединительными шинами может исключить влияние температурных деформаций. Применение прижимных контактов значительноЧпрощает монтаж батареи ТЭЭЛ и обеспечивает возможность замены ТЭЭЛ или источника тепла без нарушения целости узлов ТЭГ. Одна­

ко при этом усложняется конструкция ТЭГ и ухудшается подвод тепла.

В гл. 7 показаны варианты конструкции, в которых ТЭЭЛ

спомощью пружин прижимаются к источнику тепла.

Ге р м е т и з и р о в а н н ы е Т Э Э Л . Одно из эффективных усовершенствований конструкции ТЭЭЛ — применение герметизации отдельных ТЭЭЛ, батарей ТЭЭЛ и всего ТЭГ. Герметизацией мож­ но уменьшить или вовсе исключить различные формы коррозии и су­ блимации ТЭМ и таким образом достичь стабильности самих ТЭЭЛ и обеспечить минимальные изменения контактных сопротивлений.

Зачехление ТЭЭЛ из некоторых халькогенидов, являющихся эффективными среднетемпературными ТЭМ и нуждающихся в за­

Рассмотрены способы герметизации ТЭЭЛ из РЬТе и GeTe с же­ лезными токопроводами. Для зачехления использовали ковар мар­ ки НЗЗК18Т, медь М-1, припой ПСР-72 (на основе серебра) и ке­

рамику в форме цилиндриков внутренним диаметром 15,7 мм, тол­ щиной стенок 0,3—0,5 мм и высотой 12 мм.

Для подготовки к пайке манжет из ковара края керамики ме­ таллизировали по молибдено-марганцевой технологии с последую­ щим гальваническим никелированием. Манжеты паялись к чехлу медно-марганцевым припоем при 1050° С в вакууме.

Результаты испытаний образцов ТЭЭЛ из РЬТе и GeTe при 500— 600° С до и после заключения в керамику указанным методом показали, что такие характеристики, как термо-э. д. с., электросо­ противление и удельная мощность (вт!см2), изменяются слабо.

Изучение модулей после 200 ч испытаний при перепаде 200° С (с 600 до 400° С) в вакууме 10-2 — 10^3 мм pm. cm. показало, что начальный вес образцов (23—29 г) в большинстве случаев умень­

шился на 0,036—0,057 г. При понижении температуры горячего спая до 500—550°С резко увеличивались воспроизводимость харак­ теристик и стабильность батарей.

Один из вариантов герметизированной термоэлектрической батареи описан в работе 14]. Как показано на рис. 5.7, в герметизи­ рованном корпусе из тонкой стали 4 или другого подходящего ма­ териала создается вакуум около 1СГ4 мм pm. cm.

В корпусе размещена группа ТЭЭЛ 1, скоммутированных пла­

стинами 2, которые изолированы от стенок лаком, полимеризующимися смолами, стеклопластиками и т. п. 3. Электрические шины вы­ ходят из герметизированного объема через гермовводы 5.

83

К вариантам с герметизированными батареями ТЭЭЛ можно от­ нести опубликованный в 1966 г. вариант конструкции ТЭГ, осно­ ванный на запрессовке ТЭЭЛ в массу изоляционного материала, который изготовлен из 10 частей портландцемента, трех частей асбе­ ста и десяти частей воды. Блоки прессуют под давлением 200 кГ/см2

Рис. 5.7. Герметизированная батарея ТЭЭЛ.

Модули могут быть изготовлены разной мощности, несколько мо­ дулей можно соединить в один блок электрической мощностью

вдесятки киловатт [6].

Спомощью моделей из герметизированных ТЭЭЛ можно значи­ тельно повысить стабильность работы ТЭГ, однако при этом имеют

место дополнительные потери тепла при его подводе и отводе, а в не­ которых случаях может иметь место и сублимация материалов.

I Т Э Э Л д л я н и з к о в о л ь т н о г о ТЭ Г . Иногда требу­ ются кратковременные импульсы тока, возникающие в результа­ те повышения температуры (как, например, в устройствах пожарной сигнализации). Примером таких ТЭГ может служить английская конструкция (рис. 5.8), состоящая из одного или двух ТЭЭЛ, изго­ товленных на основе низкотемпературных ТЭМ — теллуридов или селенидов [6].

Термогенератор заключен в цилиндрический корпус из полиэтиле­ на. В этом корпусе имеются два канала, в которые помещаются вет­ ви термоэлемента, соприкасающиеся с тепло-и электропроводящей крышкой, которая осуществляет соединение ветвей. Эта крышка об­ ращена в сторону предполагаемого источника тепла. Горячие кон­ цы термоэлектрических ветвей покрыты тонким слоем свинцово-оло- вянистого сплава для улучшения контакта, который достигается при­ жатием крышки с помощью винтов. Холодные концы ветвей кон­ тактируют с блоком отвода тепла из материала с хорошей тепло­ проводностью (алюминий).

84

призмы с ветвями одинакового сечения по длине. Однако были пред­ ложены и применялись ТЭЭЛ с перемен­ ным сечением ветвей для повышения к. п. д., экономии ТЭМ и других целей. Такие ТЭЭЛ с переменным сечением ветвей из

PbS и SbZn изготавливались в СССР

в конце Великой Отечественной войны. Ветвь из PbS имела равномерно уменьшаю­ щееся сечение от горячего конца к холод­ ному. А. X. Черкасским [7] был предложен другой вариант с переменным сечением вет­ вей для уменьшения расхода материала и увеличения гибкости батарей. В этом ТЭЭЛ ветви изготавливаются с плавно уменьшаю­

между ветвью ТЭЭЛ и коммутационными пластинами предложена конструкция тер­ мостолбиков, основанная на применении развитой поверхности контакта. На рис. 5.9 показана схема такого ТЭЭЛ. Ветви термо­ элемента 2, 3 соединяются с помощью ком­ мутационных пластин 4, изготавливаемых

из материала с хорошей теплопроводностью

иэлектропроводностью, например, из меди.

Вэтих коммутационных пластинах имеются кольцевые пазы 5, в ко­

торые вставляются концы ветвей и там запаиваются 6. Для уда­ ления газов при пайке предусмотрены выпускные отверстия 1.

Трубчатая форма ветвей обеспечивает высокую прочность всей конструкции. Площадь контакта, занимаемая припоем, существен­ но больше, чем у сплошных термоэлементов (одинаковых по длине и весу). Преимущество такой конструкции заключается в том, что

и ветвью термоэлемента.

Очевидно, что сечение ветвей ТЭЭЛ может быть и прямоуголь­ ным, и другого сечения. Следует иметь в виду, что трубчатая форма ветви создает очень жесткое соединение с коммутирующей шиной. Поэтому целесообразно применять гибкие звенья в шинах.

85