Технический прогресс и экономика (стр. 1 )

В НОМЕРЕ:

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

,  Перспективы создания термоэлектрических источ-ников для электрореактивных двигателей космических аппаратов  .  .  .  3

, ,  ,  Осипов-, , НАДЕЖНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНЕРА  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  8

ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

, , ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  13

, , ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И ТРЕХПЕРЕХОДНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУРОЙ.  .  .  .  .  24

ПРОБЛЕМЫ, ПОИСКИ, РЕШЕНИЯ

проблемы Успехи и перспективы развития фотоэнергетики  37

ISSN 0868-8605

Автономная энергетика:

технический прогресс и экономика

№ 29,  2011  г.

Главный редактор

  Ў

C. И. Плеханов

       

Редакционная коллегия:

  Ў

, к. т.н.

, д. т.н.

(заместитель главного редактора)

, к. ф-м. н.

, д. т.н.

, к. т.н.

, к. т.н.

  Научный редактор ? (к. ф-м. н.)

  Редактирование, техническое редактирование,

  компьютерная верстка ?

© «Автономная энергетика: технический прогресс и экономика

       ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО        

Перспективы создания термоэлектрических источников для электрореактивных двигателей космических аппаратов

, (к. т.н.)

НПП "Квант"

•

Перед современными разработчиками термоэлектрических бортовых источ-ников электропитания космических аппаратов стоят две основные задачи – радикально увеличить ресурс до 10 - 20 лет и КПД до 20 % при существенном увеличении удель-ной мощности термоэлектрических преобразователей.

Термоэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую используются для решения задач освоения космоса около 50 лет, и благодаря своей высокой надежности и большому сроку службы, являются для космических аппаратов, в первую очередь для тех, которые выполняют исследования дальнего космоса, незаменимыми бортовыми источниками электропитания.

Исследования в области космических бортовых термоэлектрических источников питания ведутся по двум основным направлениям: радиоизотопные термоэлектри-ческие генераторы (РИТЭГ) и космические ядерные термоэлектрические установки (КЯТЭУ).

Первые в СССР космические РИТЭГ типа «Орион» на Ро 210 успешно отра-ботали гарантийный срок в составе двух малых спутников связи «Стрела-1» (1965 г.).

Межпланетные станции «Пионер-10» и «Пионер-11» (США) с РИТЭГ типа SNAP-19 электрической мощностью 40 Вт были запущены в 1972 и 1973 гг. и продемонстрировали удивительную надежность термоэлектрических преобразовате-лей. Одна из станций продолжает поддерживать радиосвязь с Землей до сих пор и передает важную информацию, находясь на периферии Солнечной системы.

Созданные в СССР КЯТЭУ имели гораздо большую мощность (2,8 кВт) по сравнению с радиоизотопными, и за время их эксплуатации в космосе в течение 18 лет не было зафиксировано ни одного отказа или сбоя в работе. Основные характеристики КЯТЭУ, использовавшихся в составе космических аппаратов в США и СССР приведены в таблице 1 [1].

  Таблица 1

Параметры	SNAP-10A (США)	ЯТЭУ БЭС-5 «Бук» (СССР)
Тепловая мощность, кВт	34	100
Электрическая мощность, кВт	0,54	2,8
Ресурс, мес.	1,5	6
Масса, т	0,45	0,9
Количество запусков	1	31
Годы запуска	1965	1970-1988

В термоэлектрической установке «Бук» использовались двухкаскадные термобатареи (ТЭБ), включенные последовательно по тепловому потоку и параллельно по электрическому току. В качестве «горячего» каскада были применены термобатареи из кремний-германиевого  сплава  (Si-Ge),  термобатареи  «холодного» каскада имели n-ветви из сплава PbTe и p-ветвь из сплава GeTe. Паразитный перепад температуры на теплоконтактном электроизоляционном переходе составлял 90 - 100° С, поэтому КПД энергоустановки составлял около 5 % [2].

С учетом высокой надежности термоэлектрических преобразователей тепловой энергии в электрическую и накопленного опыта их практического использования в космосе представляется целесообразным рассмотреть их в качестве перспективных источников питания для электрореактивных двигателей космических аппаратов различного типа и мощности.

Первый электрореактивный двигатель испытывался на советской автоматической станции «Зонд-2» в 1964 г. Кроме того, в СССР проводились широкомасштабные работы по созданию и испытаниям ионных электрореактивных двигателей по программе «Янтарь» в 1966 - 1970 гг. [3].

В НПП «Квант» достигнут значительный прогресс в создании термобатарей с мультикаскадными ветвями n и p-типа проводимости, температурой эксплуатации до 650° С и максимальным КПД до 12 %. Современные термоэлектрические материалы имеют максимальные значения добротности (Z) в сравнительно узком интервале температуры. Известно, что кпд термобатареи (?) в значительной степени зависит от добротности:

,

где ?Т – перепад температур на термобатарее (термоэлементе ? ТЭ), создаваемый тепловым потоком; М – отношение сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению термобатареи (ТЭ), которое для решения получения максимального КПД определяется следующим образом:

,

где Тг и Тх соответственно, – температура горячего и холодного спая термобатареи (ТЭ).

Максимальная величина КПД, соответствующая этому значению Мо будет определяться формулой Иоффе:

Согласно теории Иоффе, максимум добротности достигается при оптимальной концентрации носителей тока, которая является функцией температуры, поэтому термоэлемент, работающий в широком интервале температур должен иметь переменную концентрацию носителей тока вдоль вектора теплового потока. На практике это достигается за счет составной ветви термоэлемента, т. е. состоящей из двух и более каскадов (мультикаскадной). Чтобы обеспечить длительное существование такого термоэлемента необходимо введение между каскадами антидиффузионных барьеров, препятствующих диффузии ингредиентов сплавов полупроводниковых материалов и легирующих добавок из одного каскада в другой. Решение этих материаловедческих  и конструкторских задач позволило «Кванту» соз-дать термоэлектрические батареи с КПД 12 % в температурном интервале 930 - 300 К, т. е. выше, чем в термоэлектрической установке БЭС-5 «Бук», при этом удельная мощность составила 180 Вт/кг.

Максимальная удельная электрическая мощность (Wуд.) термогенератора, т. е. мощность, отнесенная к поверхности холодильника излучателя, равна [4]:

,

где Fизл. – поверхность излучения, Kp – коэффициент увеличения теплового потока за счет оребрения, ? – постоянная Стефана – Больцмана, E’ – коэффициент черноты излучателя, Tизл. – температура излучателя.

Наибольшего успеха удалось достичь в повышении срока службы. Тестирование термобатарей после 15-летнего испытания в составе термогенератора с газовым нагре-вом, показало, что они сохранили свои энергетические характеристики [5]. В 2009 г. эти термобатареи после измерений были вновь поставлены на работающий генератор, и до настоящего времени (это уже 17-летний срок службы) электрическая мощность генерируемая в нагрузку, остается постоянной.

Металлографические исследования мультикаскадных ветвей термоэлементов показали хорошую физико-химическую совместимость полупроводниковых и коммутационных материалов, антидиффузионных барьеров, токовых шин. При этом ресурс ТЭБ может составить 30 - 40 лет, а в космических условиях, где отсутствуют основные источники мягкой деградации их энергетических характеристик, например, реверсы термических напряжений в термоэлементах и силы трения при их перемещениях относительно горячего теплопровода, срок службы может увеличиться в 1,5 - 2 раза.

Следующим шагом в развитии термоэлектрических преобразователей явились работы по созданию высокотемпературных и сверхвысокотемпературных элементов с температурой эксплуатации до 1500° С на основе сульфидов редкоземельных элемен-тов, например, сульфида самария и сульфида европия и иттербия [6].

Соединения на основе сульфида самария относятся к группе полупроводни-ковых материалов с высокой температурой плавления (1940° С) и широкой запрещен-ной зоной. Результаты предварительных исследований свидетельствуют, что на основе сульфидов редкоземельных материалов может быть создан достаточно эффективный сверхвысокотемпературный полупроводниковый материал [7]. Исследования проведе-ны на прессованных образцах, изготавливаемых на основе сульфидов самария, европия, иттербия и сплавов на их основе. Из представленных на рис. 1 данных видно, что соединения характеризуются высокими значениями коэффициента термо-э. д.с. (?), и увеличение в сплавах содержания самария ведет к снижению ? и увеличению удельной электропроводности (?). Последнее свидетельствует об уменьшении количества вакансий в подрешетке металла. Энергия активации электронов составляет ~ 0,2 эВ и она несколько уменьшается при увеличении металлической компоненты в сплаве. Сплавы  сульфида  иттербия и  сульфида  европия в отличие от SmS характеризуются р-типом проводимости и имеют энергию активации проводимости равную 1,7 и 2,0 эВ. Практический интерес представляет исследование системы SmS-YbS, результаты которого представлены на рис. 1.