The 30 reference contexts in paper A. Chirkov Yu., A. Skryabin S., D. Ostanko A., P. Tsygankov A., R. Chelmodeev I., V. Khvesyuk I., А. Скрябин С., А. Чирков Ю., В. Хвесюк И., Д. Останко А., П. Цыганков А., Р. Челмодеев И. (2016) “Предельная эффективность термоэлектрического преобразования теплоты в высокотемпературных энергоустановках // Maximum Efficiency of Thermoelectric Heat Conversion in High-Temperature Power Devices” / spz:neicon:technomag:y:2016:i:3:p:81-105

  1. Start
    2885
    Prefix
    При наличии на борту соответствующих технических средств тепловая энергия, включая тепловое излучение стенки двигателя, потенциально может быть преобразована в электричество. Исследование термоэлектрических явлений имеет давнюю историю
    Exact
    [1]
    Suffix
    . Устройства преобразования тепловой энергии в электричество работают на основе эффекта Зеебека, согласно которому в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, концы которых поддерживаются при различных температурах, возникает термо-ЭДС, величина которой зависит не только от температур, но также и от материалов проводников.
    (check this in PDF content)

  2. Start
    3562
    Prefix
    Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) достаточно давно используются в преобразователях солнечной энергии, безмашинных системах охлаждения, радиоизотопных источниках и др. агрегатах благодаря простоте процесса, большому сроку службы, высокой надёжности и стабильности параметров и другим привлекательным эксплуатационным свойствам
    Exact
    [2, 3]
    Suffix
    . Тем не менее, использование ТЭГ на борту атмосферных ЛА пятого поколения, работающих в условиях экстремальных динамических и тепловых нагрузок, требует анализа, связанного с оптимизацией рабочих режимов перспективных термоэлектрогенерирующих модулей и выбором материалов.
    (check this in PDF content)

  3. Start
    4873
    Prefix
    Суть явлений состоит в том, что разность температур вызывает не только поток тепла, но и поток носителей заряда (электрический ток), а и перенос теплоты может осуществляться электрическим током, а не только за счет разности температур
    Exact
    [1–3]
    Suffix
    . Благодаря термоэлектрическим явлениям возможно преобразование тепловой энергии в электрическую и термоэлектрическое охлаждение. Причем, что весьма важно с технической точки зрения, указанные процессы преобразования энергии являются прямыми, то есть реализуемыми в безмашинных устройствах.
    (check this in PDF content)

  4. Start
    8634
    Prefix
    Кроме того, энергия, получаемая ТЭГ, черпается из того же источника, а соответствующее увеличение мощности ДВС не оправдывается по сравнению с затратами на работу традиционного машинного электрогенератора. Данная проблема эффективности ТЭГ известна как конфликт тепловых машин
    Exact
    [4]
    Suffix
    . Отметим, что интегрирование ТЭГ в гибридный двигатель привлекает серьезное внимание разработчиков автомобилей. Иная ситуация характерна для высокотемпературных энергоустановок, которые уже содержат источник высокопотенциального тепла.
    (check this in PDF content)

  5. Start
    17209
    Prefix
    Именно в этом направлении сегодня сконцентрированы исследования и инновации в области термоэлектрических материалов. 2. Термоэлектрические материалы Достигнутый сегодня уровень добротности термоэлектрических материалов показан на рис. 2
    Exact
    [5]
    Suffix
    . Параметры материалов также приведены в Таблице [6]. Значение ZT  2 является предельно высоким для лучших термоэлектрических материалов. Вместе с тем, какие либо принципиальные ограничения на величину термоэлектрической добротности неизвестны, поэтому поиск материалов с лучшими свойствами продолжается.
    (check this in PDF content)

  6. Start
    17261
    Prefix
    Именно в этом направлении сегодня сконцентрированы исследования и инновации в области термоэлектрических материалов. 2. Термоэлектрические материалы Достигнутый сегодня уровень добротности термоэлектрических материалов показан на рис. 2 [5]. Параметры материалов также приведены в Таблице
    Exact
    [6]
    Suffix
    . Значение ZT  2 является предельно высоким для лучших термоэлектрических материалов. Вместе с тем, какие либо принципиальные ограничения на величину термоэлектрической добротности неизвестны, поэтому поиск материалов с лучшими свойствами продолжается.
    (check this in PDF content)

  7. Start
    17802
    Prefix
    Существуют материалы, демонстрирующие температурный диапазон максимальной добротности в области относительно низких, средних и высоких температур. Рис. 2. Термоэлектрическая добротность некоторых распространенных и перспективных материалов
    Exact
    [5]
    Suffix
    Проанализируем проблемы физики термоэлектрических материалов, для решения которых ведутся интенсивные исследования. Как можно видеть из выражения (6), термоэлектрический материал должен одновременно иметь высокую электропроводность, большую к термо-ЭДС и низкую теплопроводность.
    (check this in PDF content)

  8. Start
    19204
    Prefix
    Лучшими известными термоэлектрическими материалами оказываются сильно легированные полупроводники или полуметаллы с концентрацией электронов порядка 1019 см–3. Таблица. Термоэлектрическая добротность термоэлектрических материалов
    Exact
    [6]
    Suffix
    No Материал Z, 10–3 К–1 T, К ZT 1 Вi0.88Sb0.12 6 80 0.48 2 CsBi4Te6 3.86 186 0.72 3 Bi1.6Sb0.4Te3 3.7 200 0.74 4 Bi2Te2.82Se0.09S0.09 3.2 270 0.86 5 (Bi2Te3)0.75(Sb2Te3)0.25 3.2 280 0.90 6 Bi2Te2.85Se0.15<Ge(0.5 ат. %)> 3.3 290 0.96 7 (Bi2Te3)0.74(Sb2Te3)0.26<Ag.
    (check this in PDF content)

  9. Start
    20380
    Prefix
    (Bi2Te3)0.05 1.7 750 1.3 25 AgPb18SbTe20 2.63 800 2.10 За последние полвека не было достигнуто значительного улучшения термоэлектрических характеристик однородных материалов, используемых для преобразования энергии. Как и десятилетия назад, одними из лучших массово производимых и широко применяемых термоэлектрических материалов остаются полупроводниковые сплавы (Bi1– xSbx)2(Se1–y,Tey)3
    Exact
    [7]
    Suffix
    . Значения термоэлектрической добротности при комнатной температуре для них на уровне единицы. Термоэлектрическая добротность промышленных и перспективных материалов, приведенных в Таблице на рис. 2, 3, в различных температурных диапазонах располагается в области ZT < 2, даже при повышенных температурах.
    (check this in PDF content)

  10. Start
    20787
    Prefix
    Термоэлектрическая добротность промышленных и перспективных материалов, приведенных в Таблице на рис. 2, 3, в различных температурных диапазонах располагается в области ZT < 2, даже при повышенных температурах. Для лабораторных образцов наилучшие достигнутые сегодня значения ZT уже лежат в диапазоне 2–3
    Exact
    [5]
    Suffix
    . Параметр термоэлектрической эффективности Z обратно пропорционален теплопроводности, поэтому уменьшение теплопроводности является одним из возможных путей повышения Z. В твердых телах, как было отмечено выше, тепло переносится двумя системами – электронами и колебаниями решетки – фононами.
    (check this in PDF content)

  11. Start
    22571
    Prefix
    Наноструктурирование может оказаться эффективным способом уменьшения решеточной теплопроводности посредством уменьшения средней длины свободного пробега фононов. В объемных наноструктурированных композитах с распределенными параметрами ожидаемые значения добротности ZT  4
    Exact
    [8]
    Suffix
    . Для подавления решеточной теплопроводности были предприняты попытки исследования мелкодисперсных систем с размерами зерен в несколько микрометров. Ожидалось, что малость площади контакта зерен создаст эффективный барьер для теплопроводности, а для переноса тока небольшие межзеренные зазоры не создадут особого препятствия.
    (check this in PDF content)

  12. Start
    23010
    Prefix
    Ожидалось, что малость площади контакта зерен создаст эффективный барьер для теплопроводности, а для переноса тока небольшие межзеренные зазоры не создадут особого препятствия. Для таких условий теоретически предсказывались значения ZT >> 1
    Exact
    [9]
    Suffix
    , также было показано, что введение диэлектрика в пространство между частицами может приводить к резкому увеличению мощности преобразователя тепловой энергии в энергию электрического тока. Ожидаемое снижение теплопроводности за счет рассеяния фононов на границах зерен наблюдалось в мелкодисперсных системах, но одновременно происходило увеличение электросопротивления за счет рассеяния носителей з
    (check this in PDF content)

  13. Start
    25135
    Prefix
    Полупроводниковые материалы на основе теллурида висмута (Bi2Те3) широко используются в термоэлектрических преобразователях энергии, холодильниках, термостатах благодаря высоким значениям термоэлектрической эффективности
    Exact
    [7]
    Suffix
    . Одним из лучших термоэлектрических материалов, используемых для термоэлектрических генераторов в диапазоне температур от 400 до 800 К является РbТе. Его сплавы с SnTe и PbSe (тройные или четверные твердые растворы), а также аналогичные сплавы (GeTe)1-х(AgSbTe2)х, называемые TAGS по первым буквам названий входящих в них элементов, в течение многих лет были лучшими термоэлектрическими ма
    (check this in PDF content)

  14. Start
    26077
    Prefix
    Тот же самый беспорядок в гораздо меньшей степени отражается на электронах, поскольку в силу их большей скорости тепловая длина волны у электронов значительно больше, чем у фононов. Для твердых растворов Bi2Te3–xSex в работе
    Exact
    [10]
    Suffix
    была исследована термоэлектрическая эффективность при температурах от 300 до 550 К, и показано, что наибольшей эффективностью обладает твердый раствор Bi2Te2,7Se0,3 с абсолютной величиной термо-ЭДС при 300 К порядка 165 мкВ/К, добротность при 410 К составляет ZT = 1.2.
    (check this in PDF content)

  15. Start
    26590
    Prefix
    Одной из важных особенностей редкоземельных твердых растворов на основе AIVBVI является высокая дефектность их структуры. Положительное влияние самария на термоэлектрическую добротность твердых растворов SmxPb1–xTe было показано в работе
    Exact
    [11]
    Suffix
    . На твердых растворах на основе GeTe с примесями Bi и Рb в работе [12] получена высокая термоэлектрическая эффективность ZT с максимумом для состава Ge0,9Pb0,05Te ZT = 1.5 при T от 670 до 800 К. Достижению такого результата способствовали уменьшение концентрации дырок, повышение коэффициента термо-ЭДС и понижение теплопроводности решетки.
    (check this in PDF content)

  16. Start
    26657
    Prefix
    Одной из важных особенностей редкоземельных твердых растворов на основе AIVBVI является высокая дефектность их структуры. Положительное влияние самария на термоэлектрическую добротность твердых растворов SmxPb1–xTe было показано в работе [11]. На твердых растворах на основе GeTe с примесями Bi и Рb в работе
    Exact
    [12]
    Suffix
    получена высокая термоэлектрическая эффективность ZT с максимумом для состава Ge0,9Pb0,05Te ZT = 1.5 при T от 670 до 800 К. Достижению такого результата способствовали уменьшение концентрации дырок, повышение коэффициента термо-ЭДС и понижение теплопроводности решетки.
    (check this in PDF content)

  17. Start
    27369
    Prefix
    С точки зрения улучшения термоэлектрических свойств этого материала наиболее интересным оказывается добавление Тl. В экспериментах с образцами TlxPb1–xTe наблюдался двукратный рост термоэлектрической добротности Тl0,02Рb0,98Те по сравнению с исходным РbТе
    Exact
    [12]
    Suffix
    . Теплопроводность Тl0,02Рb0,98Те не зависит от уровня легирования, проводимость же увеличивается с ростом концентрации дырок, и ее рост, не сопровождающийся падением термо-ЭДС, и приводил к увеличению термоэлектрической добротности.
    (check this in PDF content)

  18. Start
    32114
    Prefix
    Например, в скуттерудите LnFe3CoSt12 (Ln = La, Се) термоэлектрическая добротность ZT достигает значения 1.4 при температуре 1100 К. Температурные зависимости добротности скуттерудитов приведены на рис. 3
    Exact
    [13]
    Suffix
    . Полупроводниковые клатраты также являются перспективными материалами ECPG. Несмотря на низкую теплопроводность, термоэлектрические свойства полупроводниковых клатратов довольно посредственные (наилучшее значение термоэлектрической добротности ZT = 0.4 при температуре 300 К достигнуто для Eu8Gai6–xGe30+x).
    (check this in PDF content)

  19. Start
    32579
    Prefix
    Несмотря на низкую теплопроводность, термоэлектрические свойства полупроводниковых клатратов довольно посредственные (наилучшее значение термоэлектрической добротности ZT = 0.4 при температуре 300 К достигнуто для Eu8Gai6–xGe30+x). Термоэлектрическая добротность разупорядоченных полупроводников и интерметаллидов приведена на рис. 4
    Exact
    [14]
    Suffix
    . Рис. 3. Температурные зависимости термоэлектрической добротности скуттерудитов [13]: 1 – Yb0,19Fe4Sb12; 2 – CeFe3CoSb12 Рис 4. Температурные зависимости термоэлектрической добротности некоторых разупорядоченных полупроводников и интерметаллидов [14]: 1 – AgPb18SbTe20, 2 – Zn4Sb3, 3 – Yb14MnSb11, 4 – Mo3Sb5,4Te1,6 и Mo3Sb5,5Te1,5 В современных твердотельных термоэлектрических преобразов
    (check this in PDF content)

  20. Start
    32662
    Prefix
    , термоэлектрические свойства полупроводниковых клатратов довольно посредственные (наилучшее значение термоэлектрической добротности ZT = 0.4 при температуре 300 К достигнуто для Eu8Gai6–xGe30+x). Термоэлектрическая добротность разупорядоченных полупроводников и интерметаллидов приведена на рис. 4 [14]. Рис. 3. Температурные зависимости термоэлектрической добротности скуттерудитов
    Exact
    [13]
    Suffix
    : 1 – Yb0,19Fe4Sb12; 2 – CeFe3CoSb12 Рис 4. Температурные зависимости термоэлектрической добротности некоторых разупорядоченных полупроводников и интерметаллидов [14]: 1 – AgPb18SbTe20, 2 – Zn4Sb3, 3 – Yb14MnSb11, 4 – Mo3Sb5,4Te1,6 и Mo3Sb5,5Te1,5 В современных твердотельных термоэлектрических преобразователях энергии применяются преимущественно объемные материалы.
    (check this in PDF content)

  21. Start
    32823
    Prefix
    Температурные зависимости термоэлектрической добротности скуттерудитов [13]: 1 – Yb0,19Fe4Sb12; 2 – CeFe3CoSb12 Рис 4. Температурные зависимости термоэлектрической добротности некоторых разупорядоченных полупроводников и интерметаллидов
    Exact
    [14]
    Suffix
    : 1 – AgPb18SbTe20, 2 – Zn4Sb3, 3 – Yb14MnSb11, 4 – Mo3Sb5,4Te1,6 и Mo3Sb5,5Te1,5 В современных твердотельных термоэлектрических преобразователях энергии применяются преимущественно объемные материалы.
    (check this in PDF content)

  22. Start
    33376
    Prefix
    Технологии тонких полупроводниковых пленок открывают перспективы создания миниатюрных устройств с более высокими функциональными возможностями. Так, например, локальное охлаждение или нагрев происходит приблизительно от 2 до 10 раз быстрее, чем в устройствах, созданных на основе объемных материалов
    Exact
    [15]
    Suffix
    . Интенсивно развиваются технологии получения пленок методами молекулярно-лучевой эпитаксии и лазерной абляции [16]. 3. Термодинамическая работоспособность и энергетический баланс термоэлектрического генератора Под термодинамической работоспособностью принято понимать такие характеристики преобразователя энергии, которые позволяют сравнить фактическое количество работы, получаемое от
    (check this in PDF content)

  23. Start
    33491
    Prefix
    Так, например, локальное охлаждение или нагрев происходит приблизительно от 2 до 10 раз быстрее, чем в устройствах, созданных на основе объемных материалов [15]. Интенсивно развиваются технологии получения пленок методами молекулярно-лучевой эпитаксии и лазерной абляции
    Exact
    [16]
    Suffix
    . 3. Термодинамическая работоспособность и энергетический баланс термоэлектрического генератора Под термодинамической работоспособностью принято понимать такие характеристики преобразователя энергии, которые позволяют сравнить фактическое количество работы, получаемое от преобразователя, с максимально возможным количеством работы, которое в принципе можно получить при данных усло
    (check this in PDF content)

  24. Start
    36821
    Prefix
    Увеличение коэффициента теплоотдачи потребует интенсификации теплообмена, и может привести к увеличению затрат энергии на функционирование системы охлаждения. Элементарный энергобаланс ТЭГ рассмотрен, например, в работах
    Exact
    [17, 18]
    Suffix
    . Здесь задачей анализа энергобаланса является определение основных соотношений, демонстрирующих изменение температуры горячих контактов T1 и коэффициент теплоотдачи  системы охлаждения при вводе в конструкцию термоэлектрического модуля.
    (check this in PDF content)

  25. Start
    40705
    Prefix
    Изолинии постоянного КПД при ZT = 2 (а) и ZT = 3 (б): 1 – линия нулевой генерации; 2 –  = 5 %; 3 –  = 10 %; 4 –  = 15 %; 5 –  = 20 % В случае лучистого теплообмена тепловой поток между поверхностью стенки и горячей поверхностью ТЭГ определяется формулой
    Exact
    [19]
    Suffix
    1 11 44      wh h h h w w w SB AA T A T A Q, (26) где SB – постоянная Стефана–Больцмана, w и Aw – степень черноты и коэффициент поглощения стенки, h и Ah – степень черноты и коэффициент поглощения горячей поверхности ТЭГ.
    (check this in PDF content)

  26. Start
    41637
    Prefix
    44 QSBwhTT. (28) Поток тепла, выраженный формулой (1.28), соответствует закону Стефана– Больцмана для излучения абсолютно черного тела и является максимальным для случая непрозрачных тел, разделенных зазором относительно большой (по сравнению с характерной длиной волны) толщины. В случае узкого зазора может быть реализован перенос тепла затухающими фотонами ближней зоны излучения
    Exact
    [20]
    Suffix
    . В этом случае поток лучистого тепла может быть на порядки выше, чем поток излучения по закону Стефана– Больцмана. К сожалению, рассчитывать на этот способ интенсификации лучистого теплообмена при высоких температурах (> 500 К) вряд ли возможно, так как указанны эффект заметен при очень малых зазорах ~ 1 мкм.
    (check this in PDF content)

  27. Start
    42208
    Prefix
    Нами предложен другой способ, который заключается в модификации свойств горячей поверхности, а именно нанесении покрытий, препятствующих обратному переизлучению. Такие оптические свойства поверхностей соответствуют так называемому адсорберу
    Exact
    [21]
    Suffix
    , а эффект «удержания» излучения в чем-то схож с известным парниковым эффектом. Если принять для адсорбера Ah = 1, h << Ah а источник считать абсолютно черным телом, то 4wSBTQ, (29) что при Th  Tw дает значительно большее значение, чем по формуле (28).
    (check this in PDF content)

  28. Start
    42936
    Prefix
    Дальнейшее подробное изучение возможности реализации эффективного адсорбера представляется одной из реальных возможностей увеличения электрической эффективности ТЭГ в высокотемпературных системах. Проблема адсорбера, скорее всего, лежит в области нанотеплофизики
    Exact
    [22, 23]
    Suffix
    и наноплазмоники [24]. При этом необходимо учитывать возможности материалов при высоких температурах. Заключение Высокие температуры являются благоприятным фактором для эффективного использования термоэлектрического преобразования высокотемпературного тепла.
    (check this in PDF content)

  29. Start
    42963
    Prefix
    Дальнейшее подробное изучение возможности реализации эффективного адсорбера представляется одной из реальных возможностей увеличения электрической эффективности ТЭГ в высокотемпературных системах. Проблема адсорбера, скорее всего, лежит в области нанотеплофизики [22, 23] и наноплазмоники
    Exact
    [24]
    Suffix
    . При этом необходимо учитывать возможности материалов при высоких температурах. Заключение Высокие температуры являются благоприятным фактором для эффективного использования термоэлектрического преобразования высокотемпературного тепла.
    (check this in PDF content)

  30. Start
    43761
    Prefix
    Термоэлектрические технологии активно развиваются ведущими производителями и исследовательскими лабораториями в области энергомашиностроения, что говорит об их высоком инновационном потенциале, в особенности для «зелёной» энергетики. Отметим, что возможно комбинированное термоэлектрическое преобразование тепловой и солнечной энергии
    Exact
    [25]
    Suffix
    при использовании высокоэффективных узкозонных фотопреобразователей на основе структур GaSb и GaAs/Ge, характеризующиеся увеличенными значениями фототока и напряжения холостого хода. Термофотоэлементы на основе указанных структур достигают эффективности соответственно 25 и 16 % при температуре излучения черного тела Т = 1473 К и при условии стопроцентного возврата тепловых фотонов к эмиттеру.
    (check this in PDF content)