Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [11] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93

Однако на практике довольно часто возникает необходимость разработки термоэлементов на большие перепады температур (АГ = Гг - rj. Такое решение позволяет создать необходимые предпосылки для получения наибольших значений к. п. д. термоэлемента при надлежащем выборе полупроводниковых материалов.

В этой связи необходимо вспомнить о принципе каскадирования тепловых двигателей, широко используемом в энергетике. Создание первых паровых машин показало, что их экономические характеристики в значительной мере зависят от степени расширения пара. В результате были созданы паровые машины многократного расширения, т. е. многоцилиндровые машины с по-

п""

Рис. 13. Схематическое изображение однокаскадного а и многокаскадных (б и в) электрогенерирующих термоэлементов

следовательным расширением пара в цилиндрах. Эти машины оказались гораздо экономичнее одноцилиндровых машин, так как характеризовались большей степенью использования тепловой энергии и меньшими тепловыми потерями.

Паровая или газовая турбина - другой пример широко распространенного каскадного двигателя. Величина теплового перепада, который может быть достаточно эффективно использован в турбинной ступени, бывает обычно ограничена. При больших температурных перепадах, как правило, применяются многоступенчатые турбины, позволяющие наиболее эффективно использовать подводимую к турбине потенциальную энергию пара или газа.

Эти примеры показывают, что принцип каскадирования - один из наиболее действенных методов существенного увеличения э4)фективности тепловых двигателей.

Неудивительно, что аналогичный прием - каскадирование термоэлементов - также получил широкое распространение в термоэлектричестве [65], [140], [174].

Схемы каскадных термоэлементов со ступенчатым и непрерывным каскадированием показаны на рис. 13, б и в [71].

Увеличение эффективности в случае каскадирования термоэлементов обусловливается тем, что при этом оказывается возможным 36



подобрать для каждого интервала температур наиболее эффективные полупроводниковые материалы, характеризующиеся наибольшими среднеинтегральными значениями коэффициента добротности z. Кроме того, для создания оптимальной концентрации носителей заряда на каждом участке можно выбрать материал-матрицу с определенным содержанием примеси. При этом, без-



Тх(Н

Рис. 14. Диаграмма энергетического баланса многокаскадного термоэлемента, используемого в качестве исгочника электроэнергии

условно, должно обеспечиваться достаточно хорошее согласование отдельных участков термоэлемента, обеспечивающее максимальное использование полупроводникового вещества во всем рассматриваемом интервале температур.

В случае каскадного термоэлемента распределение потоков энергии будет иметь вид, показанный на диаграмме рис. 14.

Составим уравнение энергетического баланса для каждого из спаев всех каскадов. Для первого каскада уравнение энергетического баланса можно записать в виде

Qri == Qnri + Qti--1- Qn вт; Qi = Qnxi +Qri+- Qn



Аналогично для второго каскада

Qr2 = Qnr2 + Qt2 -У Qj2 вт;

Qx2 = Qnx2 + Qt2 + -g- Qj2 em,

и так далее.

Для 1-го каскада имеем

Qr.- = Qnr.- + Qti - 4" Qj« б";

Qx/ = Qnx/ + Qt/ 4"

Для определения полезной мощности каждого из каскадов можно получить выражения

i = Qri -Qxi ещ

Pt Qr. - Qx/ em.

Если учесть, что Qr2 = Qxi; Qr3 = Qx2; • • .; Qr/ = Qx(/-l), TO

складывая левые и правые части уравнений, получаем

1>Р = Рг + Р2 \ ••• Н-Р/ = 0,1-Qx/ ет. Суммарный к. п. д. термоэлектрического преобразования энергии для каскадного термоэлемента в этом случае находится как отношение

„ (?г1-(?х/

Цк =--

Qn Qr

Если принять, что число каскадов i - оо, можно получить формулу для определения к. п. д. такой системы. Будем считать, что для какого-то -го каскада

Qx. к = Qr .к - = Qr. к (1 -) = Qr. к (1 - Г1к) ет.

При условии, что - Тх - dT есть величина бесконечно

малая, а следовательно -«1, максимальный к. п. д. одного

каскада может быть найден по формуле

" max - 7- Мо -Ь 1

где Мо = Vl-f- гГер-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [11] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93



0.0077