НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o105.pdf (1408.87Кб)

УДК 621.362.1

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Современные тенденции развития авиационной техники связаны с разработкой летательных аппаратов (ЛА) пятого поколения. Особенности ЛА пятого поколения обуславливают необходимость использования новых высокоэффективных систем бортового электропитания. Уровень рабочих температуры внешних стенок двигателей составляет 800–1000 К. Это соответствует потоку теплового излучения на уровне 10 кВт/м². Тепловая энергия, включая тепловое излучение стенки двигателя, потенциально может быть преобразована в электричество. Главная цель настоящей работы состоит в анализе возможности применения термоэлектрического преобразования теплоты в электроэнергию с достаточно высокой эффективностью. Рассмотрены вопросы, связанные с рабочими процессами, выбором материалов и оптимизацией термоэлектрического преобразования. Представлены результаты анализа режимов работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) в условиях перспективных высокотемпературных энергетических установок. Наличие высокотемпературного источника тепла является благоприятным фактором для термоэлектрического преобразования теплоты. Показано, что для существующих термоэлектрических материалов теоретический КПД преобразования может достигать уровня 15–20 % при температурах до 1500 К и доступных значениях параметра Иоффе ZT = 2–3 (Z – добротность, T – средняя температура). Для обеспечения температурного режима и одновременно высокой эффективности термоэлектрического преобразования требуется определенное согласование мощности ТЭГ, температур горячей и холодной поверхностей и коэффициента теплоотдачи системы охлаждения. Обсуждается концепция адсорбера излучения на горячей поверхности ТЭГ. Исследования продемонстрировали ряд потенциальных возможностей высокоэффективного преобразования за счет применения ТЭГ в высокотемпературных установках.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, проект № 1145 (программа «Организация проведения научных исследований»).

1. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1957. 494 с.
2. Бернштейн А.С. Термоэлектрические генераторы. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. 47 с.
3. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974. 264 с.
4. Коржуев М.А. О конфликте двигателей внутреннего сгорания и термоэлектрических генераторов при рекуперации тепловых потерь в автомобилях // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 4. С. 8-15.
5. Дмитриев А.В., Звягин И.П. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов // УФН. 2010. Т. 180, № 8. С. 821-838. DOI: 10.3367/UFNr.0180.201008b.0821
6. Епремян А.О., Арутюнян В.М., Ваганян А.И. Добротность современных полупроводниковых термоэлектрических материалов // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 5 (25). С. 7-18 .
7. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе теллурида висмута. М.: Наука, 1972. 320 с.
8. Снарский А.А., Сарычев А.К., Безсуднов И.В., Лагарьков А.Н. Термоэлектрическая добротность объемных наноструктурированных композитов с распределенными параметрами// Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46, вып. 5. С. 677-683.
9. Харламов В.Ф. Термоэлектрическая добротность материалов, состоящих из частиц полупроводника или металла // ЖЭТФ. 2013. Т. 144, вып. 1 (7). С. 97-103.
10. Прокофьева Л.В., Пшенай-Северин Д.А., Константинов П.П., Шабалдин А.А. Оптимальный состав твердого раствора Вi₂Те_3–xSe_x для n-ветви термогенератора // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43, вып. 8. С. 1009-1012.
11. Алиев Ф.Ф., Гасанов Г.А. Влияние самария на термоэлектрическую добротность твердых растворов Sm_xPb_1–xTe // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46, вып. 3. С. 313-316.
12. Прокофьева Л.В., Равич Ю.И., Пшенай-Северин Д.А., Константинов П.П., Шабалдин А.А. Резонансные состояния, тяжелые квазичастицы и термоэлектрическая эффективность материалов A^IVB^VI // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46, вып. 7. С. 889-895.
13. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. В 3-х томах: пер. с англ. М.: Мир, 1987-1988. 408+ 696 + 564 с.
14. Шевельков А.В. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов // Успехи химии. 2008. Т. 77, № 1. С. 3-21.
15. Tellier C.R., Tosser A.J. Size effects in thin films. Amsterdam–Oxford–New York: Elsevier, 1982. 310 p.
16. Григорьянц А.Г., Мисюров А.И., Шупенев А.Е. Особенности формирования субмикронных пленок теллурида висмута методом импульсного лазерного осаждения // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 6 (6). С. 130-135. DOI:10.18698/2308-6033-2012-6-234
17. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания // Компоненты и технологии. 2010. № 12. С. 131-138.
18. Виноградов С.В., Халыков К.Р., Нгуен К.Д. Методика расчета и оценки параметров экспериментального термоэлектрического генератора // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 1. С. 84-91.
19. Теория тепломассообмена / под ред. А.И. Леонтьева. М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 683 с.
20. Левин М.Л., Рытов С.М. Теория равновесных тепловых флуктуаций в электродинамике. М.: Наука, 1967. 308 с.
21. Дмитриев А.С. Тепловые процессы в наноструктурах: учеб. пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. 303 с.
22. Zhang Z.M. Nano / Microscale Heat Transfer. New York: McGraw-Hill, 2007. 504 p.
23. Дмитриев А.С. Введение в нанотеплофизику. М.: БИНОМ. Лабораториязнаний, 2015. 790 с.
24. Stockman M.I. Nanoplasmonics: The physics behind the applications // Physics Today. 2011. Vol. 64, iss. 2. P. 39-44.
25. Хвостиков В.П., Хвостикова О.А., Газарян П.Ю., Шварц М.З., Румянцев В.Д., Андреев В.М. Термофотоэлектрические преобразователи теплового и концентрированного солнечного излучения // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38, вып. 8. С. 988-993.