Термоэлектричество является достаточно сложным и специфичным направлением в современной науке и технике и в настоящее время имеет большие перспективы развития. Термоэлектрические системы обладают рядом достоинств, однако низкая энергетическая эффективность зачастую не позволяет им конкурировать с традиционными устройствами генерации электрической энергии. Процессы, происходящие в термоэлектрических системах, характеризуются тесной связью тепловых и электрических явлений, наличием множества нелинейных параметров, по-своему влияющих на режимы работы устройств. Поэтому в начале разработки термоэлектрического устройства целесообразно уделить особое внимание моделированию протекающих в нем физических процессов, поскольку таким образом можно оценить оптимальные геометрические и рабочие характеристики системы.
В качестве объекта моделирования использовался термоэлектрический генераторный модуль, состоящий из 7 батарей кольцевого типа (рис. 1). Основным несущим элементом отдельной батареи является керамическая внутренняя втулка, толщиной 2 мм, выполненная из Al2O3 .
Керамическая втулка размещается на металлической трубе, толщиной 3,5 мм, по которой циркулирует горячий теплоноситель. Для улучшения теплового контакта поверхность керамической втулки с обоих сторон покрывается слоем (~0,15 мм) кремнийорганической термостойкой эмали марки «Эмаль зеленая КО–89». Для снятия температурных напряжений втулка имеет продольный разрез.
На внутренней втулке снаружи размещаются термоэлементы. Отдельные ветви термоэлементов выполнены в виде чередующихся дугообразно согнутых брусков p- и n-типа, высотой по направлению тока 5 мм и толщиной 5,8 мм. Коммутация ветвей осуществляется с помощью бимсовых ребер. Отдельные ветви p- и n-типа с помощью коммутационных шин образуют кольцо радиусом по горячей стороне 28 мм, размещаемое на внутренней втулке. Всего в кольце размещается 16 ветвей на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Так же, как и втулка, кольцо имеет разрыв для снятия температурных напряжений, ширина которого составляет 5 мм. Соединение ветвей с коммутационными шинами осуществляется с помощью пайки. С внутренней стороны (горячей) коммутационные шины выполнены из никелевых пластин толщиной 1 мм, с внешней (холодной) – из медных толщиной 1,5 мм.