Почему РИТЭГи так неэффективны?

Недавно я узнал о том, как «бутерброд» n-типа и p-типа с разными термическими свойствами может создавать разность потенциалов при наличии градиента температуры. Последующий ток может питать основную электронику (в диапазоне десятков-сотен ватт), если существует достойный источник тепла, такой как радиоактивный изотоп в РИТЭГе.

Поскольку он полностью твердотельный, он кажется более предпочтительным, чем другие средства преобразования тепла в электричество из технического обслуживания POV. Но почему они настолько неэффективны по сравнению с атомными электростанциями, использующими турбины? Какие конкретные механизмы обеспечивают общий КПД РИТЭГов 3-7% против КПД АЭС, скажем, 45%? Каково принципиальное ограничение эффективности РИТЭГов?

Этот вопрос может лучше подходить для Physics.SE (или какого-либо другого сайта SE), а не конкретно для исследования космоса.
Они используют термоэлектрические генераторы. Они неэффективны по причинам, обсуждаемым здесь: physics.stackexchange.com/q/481303/223601 .
@StarfishPrime все вопросы об эффективности двигателя также касаются физики, и все же мы отвечаем на них здесь, потому что некоторым пользователям нравится отвечать на них и делать хорошую работу. «Лучше подходит» никогда не бывает близкой причиной. Это тема здесь, и поэтому не должна быть закрыта.

Ответы (1)

Вот краткий ответ, так как некоторые люди пытаются закрыть вопрос и предотвратить ответы:

Как указывает @ikrase, ответы на вопрос Physics SE Почему эффективность эффекта Пельтье / Зеебека в практических устройствах настолько низка? здесь полезны.

Вкратце, эффективность преобразования РИТЭГ состоит из двух основных частей.

Предел термодинамики

Доля тепловой энергии, которая теоретически может быть преобразована в электрическую, называется эффективностью Карно . Это дано η "=" ( Т час о т − Т с о л г ) / Т час о т . Например, MHW-RTG имеет горячие и холодные температуры 1273 K и 573 K, с η 0,55.

Почему же на холодной планете или в космосе «холодная» сторона такая горячая? Эффективность излучения, которая масштабируется как Т 4 . Трудно излучать тепло, если тебе самому не жарко !

Ограничение свойств материала

Ограничения термоэлектрических материалов , как подробно обсуждалось в ответах на связанный вопрос Physics SE, в настоящее время являются самым большим источником неэффективности.

Необходимость иметь низкую теплопроводность и одновременно высокую электропроводность; он должен быть хорошим теплоизолятором и одновременно хорошим проводником электричества. Полупроводники могут попасть в эту общую категорию, но, к сожалению, полезные материалы не попадают в эту категорию достаточно далеко , чтобы быть высокоэффективными.

Небольшое дополнение от @Uwe:

К сожалению, тепловая и электрическая проводимость взаимосвязаны, обе зависят от движения свободных электронов. Таким образом, алюминий и медь являются хорошими проводниками как электрического, так и теплового потока. Если есть материал с хорошей теплоизоляцией, движение свободных электронов должно быть очень низким, поэтому этот материал не может быть хорошим проводником электричества.

Использованная литература:

Связано здесь, в Space SE:

Я отметил это, когда у вас был текст ответа-заполнителя! Я бы абсолютно сказал, что ваш ответ сейчас великолепен. Однако, лучше ли сам вопрос здесь или на бирже физического стека, я бы сказал, что он подлежит обсуждению.
На самом деле, после дальнейших размышлений, я согласен с тем, что этот вопрос актуален для этого обмена стеками. Я отозвал свой закрытый голос.
@МаркОмо, спасибо! да, я знаю, но было 4 близких голосования, и пятое закрыло бы публикацию ответа, поэтому я добавил заполнитель. Это заняло 45 минут, дольше, чем я ожидал. Я слышал (сейчас ищу информацию), что существует своего рода 4-часовой льготный период для добавления ответов на только что закрытые или только что отложенные вопросы, но я никогда не пробовал.
К сожалению, тепловая и электрическая проводимость взаимосвязаны, обе зависят от движения свободных электронов. Таким образом, алюминий и медь являются хорошими проводниками для обоих. Полупроводник с лучшей электропроводностью вряд ли является лучшим теплоизолятором.
@Uwe это очень важный момент; пожалуйста, не стесняйтесь добавлять новый ответ или редактировать его в этом ответе, спасибо!
@Uwe для металлов это определенно так, но, согласно диаграмме 8 (стр. 14), здесь полупроводники могут быть гораздо худшими электрическими проводниками, сохраняя при этом теплопроводность, аналогичную некоторым металлическим сплавам. Разница между полупроводниками и керамикой или другими изоляторами заключается просто в ширине запрещенной зоны; материалы с более низкой шириной запрещенной зоны будут иметь некоторое количество термически активированных носителей в зоне проводимости, в то время как полупроводниковые материалы с более высокой шириной запрещенной зоны (например, кварц, алмаз) ведут себя как изоляторы при комнатной температуре.
Мы видим, что все металлы падают на линию, обозначенную λ "=" С / р е , (она имеет отрицательный наклон, потому что вертикальная ось — проводимость, а горизонтальная — удельное сопротивление). Поэтому мне интересно, 1) что происходит в полупроводниках, которые могут поддерживать умеренную теплопроводность, но имеют гораздо более низкую электропроводность, и 2) почему все еще необходимо используйте их в РИТЭГах, а не в металлах.
Почему РИТЭГи так неэффективны?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v