Термоэлектрический модуль

Полезная модель относится к устройствам, позволяющим напрямую конвертировать тепло в электрическую энергию, и может быть использована для утилизации отходящего тепла от наземных/воздушных транспортных средств, промышленных котлов, электростанций, цементных заводов и т.д..
x
x+1, 5+d
Известен термоэлектрический модуль, содержащий совокупность полупроводниковых элементов n- и р- типа, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом вход и выход цепи присоединены к электродам, причем элементы n-типа выполнены из материала состава AVO, где А по крайней мере один элемент, выбранный из группы Na, K, Cs, Ca, Sr и Ba, 0,2 ≤ х≤1,5 ; -1≤ d≤1(Патент US 7435896, МПК H01L 35/22, 2008 г.).
о
Однако срок службы известного модуля ограничен, поскольку материал полупроводникового элемента имеет низкую термическую стабильность, а именно после 200С он начинает окисляться на воздухе.
Известен термоэлектрический модуль, содержащий совокупность полупроводниковых элементов n- и р- типа, соединенных в электрическую цепь, причем элементы n-типа выполнены из материала на основе комплексного оксида, содержащего Zn, Al, Ga, B. При этом молярное содержание каждого элемента не должно быть менее 0,0001 и более 0,1; а плотность комплексного оксида составляет не менее 95% (Заявка US 2012/0118347; МПК H01L 35/32, H01L 1/08, H01L 35/14; 2012 г.).
Основным недостатком модуля является перегрев устройства во время работы за счет высокой теплопроводности полупроводниковых элементов.
0,95
0,05
3-δ
2,7
0,3
4
9+δ
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому термоэлектрическому модулю является термоэлектрический модуль на основе комплексных оксидов, содержащий цилиндрический металлический корпус, центральную трубу, расположенную по центральной оси кожуха, имеющую входное и выходное отверстия, три трубы, расположенные вдоль внутренней стенки кожуха, имеющие входные и выходные отверстия, 12 пар полупроводниковых элементов n- и р- типов, расположенных радиально относительно центральной трубы и соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе посредством серебряной пластины, а второй торец каждого элемента присоединен к одной из трех труб посредством медной пластины, причем к концу и началу электрической цепи подключены электроды, выведенные наружу. Полупроводниковые элементы n-типа выполнены из материала состава CaMnTaO, полупроводниковые элементы p-типа выполнены из материала состава CaBiCoO (O.V. Merkulov, B.V. Politov, K.Ju. Chesnokov, A.A. Markov, I.A. Leonidov, M.V. Patrakeev, V.L. Kozhevnikov “Fabrication and opportunities of tube-form thermoelectric module based on oxides”, Journal of electronic Materials. 2018. V. 47. P. 2808–2816).
Однако известный термоэлектрический модуль имеет относительно низкую выходную мощность, что обусловлено, во-первых, тем, что термоэлектрический фактор мощности элемента р-типа, значительно ниже, чем у элемента n-типа; во-вторых, относительно высоким сопротивлением термоэлектрических элементов, которое объясняется существенной длиной керамических элементов и низкой относительной плотностью элемента р-типа.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать конструкцию термоэлектрического модуля, обеспечивающую повышение выходной мощности модуля.
0,95
0,05
3-δ
2
0,3
0,3
4
9
Поставленная задача решена в термоэлектрическом модуле, содержащем цилиндрический металлический корпус, центральную трубу, расположенную по центральной оси кожуха, имеющую входное и выходное отверстия, три трубы, расположенные вдоль внутренней стенки кожуха, имеющие входные и выходные отверстия, не менее 12 пар полупроводниковых элементов n- и р- типов, расположенных радиально относительно центральной трубы и соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, при этом один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе посредством серебряной пластины, а второй торец каждого элемента присоединен к одной из трех труб посредством медной пластины, причем к первой и последней медной пластине электрической цепи подключены электроды, выведенные наружу, при этом полупроводниковые элементы n-типа выполнены из материала состава CaMnTaO, и полупроводниковые элементы p-типа выполнены из материала на основе комплексного оксида со слоистой структурой, в котором полупроводниковые элементы р-типа выполнены из материала состава CaBiNaCoO, при этом длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения.
2
0,3
0,3
4
9
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен термоэлектрический модуль, в котором полупроводниковые элементы р-типа выполнены из материала состава CaBiNaCoO, при этом длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения.
2,7
0,3
4
9+δ
2,4
0,3
0,3
4
9
3
4
9
-4
-2
-1
-4
-2
-1
Как известно, термоэлектрическая генерация – это технология непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием эффекта Зеебека, то есть эффекта, при котором возникающая термоэдс пропорциональна разности температур противоположных концов элемента. При этом при использовании полупроводников, имеющих носители заряда противоположных знаков, в случае соединения их друг с другом термически параллельно и электрически последовательно вследствие температурного градиента возникает электрический ток. Примером двух элементов, имеющих носители заряда противоположных знаков, являются полупроводник р- типа, в котором электропроводящей является “дырка” и полупроводник n-типа, в котором электропроводящим является электрон. Известный термоэлектрический модуль, указанный в качестве прототипа, обладает относительно невысокой мощностью, в частности за счет выполнения полупроводниковых элементов p-типа из материала состава CaBiCoO, который характеризуется невысоким фактором мощности, равным 1.2∙10Вт∙К∙м. Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что выходная мощность модуля значительно повышается, если в качестве полупроводниковых элементов p-типа использовать материал состава CaBiNaCoO, который характеризуется фактором мощности, равным 5.6∙10Вт∙К∙м (Gaojie Xu, Ryoji Funahashi, Masahiro Shikano, Ichiro Matsubara, Yuqin Zhou “Thermoelectric properties of the Bi- and Na- substituted CaCoO system”, Applied Physics Letters, V. 80, N. 20). При этом существенным фактором являются геометрические размеры полупроводниковых элементов, а именно необходимо было определить оптимальное соотношение длины и размеров поперечного сечения элемента, обеспечивающее необходимое соотношение теплопроводности и электрического сопротивления. Авторами установлено, что оптимальным является соотношение: длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения, поскольку при увеличении длины значительно возрастает электросопротивление.
0.85
0.15
3
2,4
0,3
0,3
4
9
Схематическое изображение предлагаемого термоэлектрического модуля представлено на фиг. 1. Модуль состоит из не менее 12, в частности 24 термоэлектрических элементов n–типа (1) и p–типа (2), соединенных поочередно и последовательно. Длина каждого полупроводникового элемента обоих типов, имеющих квадратное сечение, составляет не более 5 диагоналей этого сечения. Материал элемента n-типа (1): CaBiMnO. Материал элемента p-типа (2): CaBiNaCoO. Один торец каждого элемента присоединен к центральной трубе (3) посредством серебряной пластины. Второй торец каждого элемента присоединен к трубкам (4) посредством медной пластины. Три ряда элементов радиально расположены вокруг центральной трубы (3), между горячей и холодными сторонами конструкции. Центральная труба (3) является горячей стороной модуля. Труба (3) покрыта высокотемпературной изолирующей краской. Три трубы (4) являются частью конструкции холодной стороны. Трубы (3) и (4) изготовлены из нержавеющей стали. Термоэлектрические элементы (1, 2) соединены последовательно в электрическую цепь коммутационными элементами (5, 6, 7). Коммутационными элементами на горячей стороне являются серебряные пластины (5). Коммутационными элементами на холодных сторонах являются медные пластины (6). Ряды термоэлектрических элементов соединены медной проволокой (7). Медные пластины (6) крепятся к трубкам (4) при помощи крепежных металлических изделий (8), покрытых изоляционной краской. Внешние медные электроды (9) припаяны к первой и последней медным пластинам в последовательной электрической цепи и выведены из двух торцевых стенок (10) модуля, изготовленных из нержавеющей стали. На рисунке виден только один внешний электрод, выведенный из одной торцевой стенки (10). Термоэлектрический модуль закрыт металлическим кожухом (11).
Предлагаемый термоэлектрический модуль работает следующим образом.
В центральную трубу (3) подводится нагретый газ, являющийся источником тепла. К трубам (4) подводится охлаждающая жидкость, являющаяся теплоносителем, например вода. Один конец каждого термоэлектрического элемента (1, 2) нагревается за счет тепла, переданного от центральной трубы (3), другой конец охлаждается за счет передачи тепла от термоэлектрического элемента к трубке (4), по которой течет охлаждающая жидкость. За счет создания температурного градиента вдоль термоэлектрических элементов (1, 2) инициируется процесс появления разницы потенциалов (термоЭДС) на концах данных элементов. Для увеличения выходного напряжения модуля, термоэлектрические элементы были соединены последовательно, поскольку, при последовательном соединении термоэлектрических элементов, полное напряжение в цепи равно сумме возникающих термоЭДС каждого термоэлектрического элемента. По внешним электродам (9) на внешнюю нагрузку, в случае подключения, поступает электрическая энергия. Выходная мощность предлагаемого термоэлектрического модуля повышается в 6 раз по сравнению с термоэлектрическим модулем-прототипом.
Таким образом, авторами предлагается термоэлектрический модуль, совокупность конструктивных элементов которого позволяет повысить выходную мощность за счет выполнение элементов р-типа из материала, имеющего повышенный теплоэлектрический фактор мощности, и использование оптимального соотношения геометрических размеров каждого элемента.