Элемент пельтье генератор: Эксперимент по постройке термоэлектрического генератора на основе элементов Пельтье

А есть ли низкотемпературные элементы пельтье. Что такое элемент пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Термопреобразователь (модуль Пельтье) работает по принципу, обратному действию термопары, — появлению разности температур, когда протекает электрический ток.

Как работает элемент Пельтье?

Довольно просто применять модуль Пельтье, принцип работы которого заключается в выделении или поглощении тепла в момент контакта разных материалов при прохождении через него энергетического потока электронов перед контактом и после него отличается. Если на выходе она меньше, значит, там выделяется тепло. Когда электроны в контакте тормозятся электрическим полем, они передают кинетическую энергию кристаллической решетке, разогревая ее. Если они ускоряются, тепло поглощается. Это происходит за счет того, что часть энергии забирается у кристаллической решетки и происходит ее охлаждение.

В значительной степени это явление присуще полупроводникам, что объясняется большой разностью зарядов.

Модуль Пельтье, применение которого является темой нашего обзора, используется при создании термоэлектрических охлаждающих устройств (ТЭМ). Простейшее из них состоит из двух полупроводников p- и n-типов, последовательно соединенных через медные контакты.

Если электроны движутся от полупроводника «p» к «n», на первом переходе с металлической перемычкой они рекомбинируют с выделением энергии. Следующий переход из полупроводника «p» в медный проводник сопровождается «вытягиванием» электронов через контакт электрическим полем. Данный процесс приводит к поглощению энергии и охлаждению области вокруг контакта. Аналогичным образом происходят процессы на следующих переходах.

При расположении нагреваемых и охлаждаемых контактов в разных параллельных плоскостях получится практическая реализация способа. Полупроводники изготавливаются из селена, висмута, сурьмы или теллура. Модуль Пельтье вмещает большое количество термопар, размещенных между керамическими пластинами из нитрида или оксида алюминия.

Факторы, влияющие на эффективность ТЭМ

• Сила тока.
• Количество термопар (до нескольких сотен).
• Типы полупроводников.
• Скорость охлаждения.

Больших величин достигнуть пока не удалось из-за низкого КПД (5-8 %) и высокой стоимости. Чтобы ТЭМ успешно работал, надо обеспечить эффективный отвод тепла с нагреваемой стороны. Это создает сложности в практическом воплощении способа. Если изменить полярность, холодная и горячая стороны меняются друг с другом.

Достоинства и недостатки модулей

Потребность в ТЭМ появилась с возникновением электронных устройств, нуждающихся в миниатюрных системах охлаждения. Преимущества модулей следующие:

• компактность;
• отсутствие подвижных соединений;
• модуль Пельтье принцип работы имеет обратимый при смене полярности;
• простота каскадных соединений для повышения мощности.

Главным недостатком модуля является низкий КПД. Это проявляется в больших затратах мощности при достижении требуемого эффекта охлаждения. Кроме того, он обладает высокой стоимостью.

Применение ТЭМ

Пельтье модуль применяется преимущественно для охлаждения микросхем и небольших деталей. Начало было положено для охлаждения элементов военной техники:

• микросхемы;
• инфракрасные детекторы;
• элементы лазеров;
• кварцевые генераторы.

Термоэлектрический модуль Пельтье постепенно стал применяться в бытовой технике: для создания холодильников, кондиционеров, генераторов, терморегуляторов. Главным его назначением является охлаждение небольших объектов.

Охлаждение процессора

Основные компоненты компьютеров постоянно совершенствуются, что приводит к росту тепловыделения. Вместе с ними развиваются системы охлаждения с применением новаторских технологий, с современными средствами контроля. Модуль Пельтье применение в данной сфере нашел прежде всего в охлаждении микросхем и других радиодеталей. С форсированными режимами разгона микропроцессоров традиционные кулеры уже не справляются. А увеличение частоты работы процессоров дает возможность повысить их быстродействие.

Увеличение скорости вращения вентилятора приводит к значительному шуму. Его устраняют за счет использования модуля Пельтье в комбинированной системе охлаждения. Таким путем передовые фирмы быстро освоили производство эффективных охлаждающих систем, которые стали пользоваться большим спросом.

С процессоров тепло обычно отводится кулерами. Воздушный поток может засасываться снаружи или поступать изнутри системного блока. Главная проблема состоит в том, что температура воздуха порой оказывается недостаточной для теплоотвода. Поэтому ТЭМ стали использовать для охлаждения потока воздуха, поступающего в системный блок, тем самым повышая эффективность теплообмена. Таким образом, встроенный воздушный кондиционер является помощником традиционной системы охлаждения компьютера.

С обеих сторон модуля крепятся алюминиевые радиаторы. Со стороны холодной пластины нагнетается воздух на охлаждение к процессору. После того как он заберет тепло, его выдувает другой вентилятор через радиатор горячей пластины модуля.

Современный ТЭМ управляется электронным устройством с датчиком температуры, где степень охлаждения пропорциональна разогреву процессора.

Активизация охлаждения процессоров создает также некоторые проблемы.

1. Простые охлаждающие модули Пельтье предназначены для непрерывной работы. При пониженном энергопотреблении также уменьшается тепловыделение, что может вызвать переохлаждение кристалла и последующее зависание процессора.
2. Если работа кулера и холодильника не будет должным образом согласована, последний может перейти в режим нагрева вместо охлаждения. Источник дополнительного тепла вызовет перегрев процессора.

Таким образом, для современных процессоров нужны передовые технологии охлаждения с контролем работы самих модулей. Подобные изменения режимов работы не происходят с видеокартами, которые также требуют интенсивного охлаждения. Поэтому для них ТЭМ подходит идеально.

Автохолодильник своими руками

В середине прошлого века отечественная промышленность пыталась освоить выпуск малогабаритных холодильников, основанных на эффекте Пельтье. Существующие технологии того времени не позволили этого сделать. Сейчас сдерживающим фактором преимущественно является высокая цена, но попытки продолжаются, и успехи здесь уже достигнуты.

Широкое производство термоэлектрических устройств позволяет создать своими руками небольшой холодильник, удобный для использования в автомобилях. Его основой является «сэндвич», который делается следующим образом.

1. На верхний радиатор наносится слой теплопроводной пасты типа КПТ-8 и приклеивается Пельтье модуль с одной стороны керамической поверхности.
2. Аналогично к нему крепится с нижней стороны другой радиатор, предназначенный для помещения в камеру холодильника.
3. Все устройство плотно сжимается и просушивается в течение 4-5 часов.
4. На обоих радиаторах устанавливаются кулеры: верхний будет отводить тепло, а нижний — выравнивать температуру в камере холодильника.

Корпус холодильника делается с теплоизолирующей прокладкой внутри. Важно, чтобы он плотно закрывался. Для этого можно использовать обычный пластиковый ящик для инструментов.

Питание 12 В подается из системы автомобиля. Его можно сделать и от сети 220 В переменного тока, с блоком питания. Схема преобразования переменного тока в постоянной применяется самая простая. Она содержит выпрямительный мост и сглаживающий пульсации конденсатор. При этом важно, чтобы на выходе они не превышали величину 5 % от номинального значения, иначе эффективность устройства снижается. У модуля имеются два вывода из цветных проводов. К красному всегда подключается «плюс», к черному — «минус».

Мощность ТЭМ должна соответствовать объему бокса. Первые 3 цифры маркировки означают количество пар полупроводниковых микроэлементов внутри модуля (49-127 и более). выражается двумя последними цифрами маркировки (от 3 до 15 А). Если мощности недостаточно, надо приклеить на радиаторы еще один модуль.

Обратите внимание! Если сила тока будет превосходить мощность элемента, он будет нагреваться с обеих сторон и быстро выйдет из строя.

Модуль Пельтье: генератор электрической энергии

ТЭМ можно использовать для выработки электроэнергии. Для этого надо создать перепад температуры между пластинами, и расположенные между ними термопары будут вырабатывать электрический ток.

Для практического использования нужен ТЭМ не менее чем на 5 В. Тогда с его помощью можно будет заряжать мобильный телефон. Из-за низкого КПД модуля Пельтье потребуется повышающий преобразователь постоянного напряжения. Для сборки генератора понадобятся:

• 2 модуля Пельтье ТЕС1-12705 с размером пластин 40х40 мм;
• преобразователь ЕК-1674;
• алюминиевые пластины толщиной 3 мм;
• кастрюля для воды;
• термостойкий клей.

Между пластинами помещаются два модуля на клей, а затем вся конструкция фиксируется на дне кастрюли. Если ее заполнить водой и поставить на огонь, получится необходимая разность температуры, вырабатывающая ЭДС порядка 1,5 В. Подключив модули к повышающему преобразователю, можно повысить напряжение до 5 В, необходимых для зарядки аккумулятора телефона.

Чем больше разница температуры между водой и нижней подогреваемой пластиной, тем генератор работает эффективней. Поэтому надо стараться снижать нагрев воды разными способами: сделать ее проточной, почаще заменять свежей и т. п. Действенным средством увеличения разности температур является каскадное включение модулей, когда они накладываются слоями один на другой. Увеличение габаритных размеров устройства позволяет поместить между пластинами больше элементов и тем самым увеличить общую мощность.

Производительности генератора будет достаточно для зарядки небольших аккумуляторов, работы светодиодных ламп или радиоприемника. Обратите внимание! Для создания термогенераторов потребуются модули, способные работать при 300-400 0 С! Остальные подойдут только для пробных испытаний.

В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии они могут работать во время движения, если создать что-то типа каталитического нагревателя.

Отечественные модули Пельтье

ТЭМ своего производства появились у нас на рынке не так давно. Они отличаются высокой надежностью и имеют хорошие характеристики. Модуль Пельтье, который пользуется широким спросом, имеет размеры 40х40 мм. Он рассчитан на максимальный ток 6 А и напряжение до 15 В.

Отечественный модуль Пельтье купить можно за небольшую цену. При 85 Вт он создает температурный перепад 60 0 С. Вместе с кулером он способен защитить от перегрева процессор с рассеиваемой мощностью 40 Вт.

Характеристики модулей ведущих фирм

Зарубежные устройства представлены на рынке в большем разнообразии. Для защиты процессоров ведущих фирм применяется в качестве холодильника РАХ56В модуль Пельтье, цена которого в комплекте с вентилятором составляет $35.

При размерах 30х30 мм он поддерживает температуру процессора не выше 63 0 С при выделяемой мощности 25 Вт. Для питания достаточно напряжения 5 В, а ток не превышает 1,5 А.

Хорошо подходит под охлаждение процессора модуль Пельтье РА6ЕХВ, обеспечивающий нормальный температурный режим при мощности рассеивания 40 Вт. Площадь его модуля составляет 40х40 мм, а потребляемый ток — до 8 А. Кроме внушительных размеров — 60х60х52,5 мм (вместе с вентилятором) — устройство требует наличия вокруг него свободного пространства. Цена его составляет $65.

Когда применяется модуль Пельтье, технические характеристики у него должны соответствовать потребностям охлаждаемых устройств. Недопустимо, чтобы у них была слишком низкая температура. Это может привести к конденсации влаги, которая губительно действует на электронику.

Модули для изготовления генераторов, такие как отличаются большей мощностью — 72 Вт и 108 Вт соответственно. Их различают по маркировке, всегда наносимой на горячую сторону. Максимальная допускаемая температура горячей стороны у них составляет 150-160 0 С. Чем больше температурный перепад между пластинами, тем выше получается напряжение на выходе. Устройство работает при максимальном температурном перепаде 600 0 С.

Модуль Пельтье купить можно недорого — порядка $10 и менее за штуку, если хорошо поискать. Довольно часто продавцы значительно завышают цены, но можно найти в несколько раз дешевле, если приобретать на распродаже.

Заключение

Эффект Пельтье нашел применение в настоящее время в создании небольших холодильников, необходимых современной технике. Обратимость процесса дает возможность изготовить микроэлектростанции, востребованные для зарядки аккумуляторов электронных устройств.

В отличие от других средств альтернативного получения электроэнергии, они могут работать во время движения, если установить каталитический нагреватель.

Элемент Пельтье стал известен миру давно. Еще в 18 веке французский часовщик Жан-Шарль Пельтье совсем случайно для самого себя открыл новый эффект на границе двух металлов: висмута и сурьмы. Он заключался в резком изменении температуры помещенной между контактами капли воды, которая при подведении тока превратилась в лед. Это свойство стало новым для часовщика, потому что до того момента еще ни один ученый мира не излагал в своих материалах подобной информации.

Эффект хоть и был интересен, но не нашел практического применения в то время, что было связано с небольшим количеством электронной техники, которой требовалось бы интенсивное охлаждение. Спустя 2 столетия об открытии ученого вспомнили, потому что возникла острая необходимость изготовить устройство, которое могло бы обеспечить качественное охлаждение кристалла греющегося микропроцессора.

В результате многочисленных исследований в этой области и огромного количества практических опытов ученые выяснили, что термоэлектрическая пара может вырабатывать достаточное количество холода для нормальной работы практически любого микропроцессора. А благодаря небольшим размерам их научились встраивать в корпуса микросхем, обеспечивая, таким образом, собственный внутренний генератор холода.

Открытие Жан-Шарля Пельте стало огромным толчком для целой отрасли по производству мобильных холодильных установок. Сегодня свойство термоэлектрического элемента используется в следующей технике:

• переносные холодильники;
• автомобильные кондиционеры;
• портативные охладители;
• фотоаппараты, телескопы и многое другое.

Активно используют для охлаждения микропроцессоров и прочих элементов электронной техники. Кроме прямого эффекта охлаждения, элемент Пельтье многие стали использовать в качестве генератора. Примером чего может стать фонарик на 3 элементах .

Знают немногие, что для осуществления радиосвязи с командованием солдаты ставили на огонь специальный котелок и заваривали чай, готовили кашу и прочие бытовые вещи, а в это время осуществляли передачу необходимой информации по переносной радиостанции .

Как изготовить элемент Пельтье своими руками?

Многих интересует вопрос, что такое Пельтье элемент своими руками, как сделать его в домашних условиях? Для этого потребуется высокоточное дозированное добавление разных веществ и материалов. Изготовить в домашних условиях подобное устройство невозможно, потому что требуется иметь технологии и обладать необходимыми методами обработки металлов. Также требуются особо чистые материалы в таких же лабораториях, чего в домашних условиях добиться невозможно. Поэтому на вопрос, как сделать термоэлектрический модуль Пельтье, можно ответить однозначно. Никак. Но для построения эффективной системы охлаждения вполне достаточно имеющихся навыков.

Изготовление элемента Пельтье из диодов

Существует мнение о том, что можно сделать термоэлектрический модуль на диодах . Дело в том, что каждая пара разнородных полупроводников – это два материала с p и n -проводимостями. А диод как раз таковым и является. Чтобы выявить изменение проводимости при нагреве, необходимо выбирать определенные элементы. Но для получения низкой температуры на поверхности устройства никакие диоды не помогут. При подаче большого тока можно добиться лишь разогрева.

Радиолюбители используют в качестве датчика температуры диоды малой мощности в стеклянном корпусе. При подключении их в обратном направлении и разогреве переход начинает открываться и пропускать ток в обратном направлении. Но при этом вырабатывать электричество он не будет.

Как устроен элемент Пельте?

Термоэлектрический модуль Пельтье в упрощенном виде представляет собой пару пластин из разных металлов, которыми могут быть висмут, сурьма, теллур или селен. Между ними расположена пара полупроводников с разной проводимостью n и p -типа. Все образованные разными металлами термоэлектрические пары соединены последовательно в единую цепь. В результате образуется своего рода матрица из большого количества отдельных термопар, расположенных между двумя керамическими пластинами.

Образованный термопарами термоэлектрический модуль изготовлен в едином корпусе небольших размеров. При их последовательном или параллельном соединении можно добиться усиления эффекта охлаждения или выработки электрической энергии. В режиме охладителя положительный вывод матрицы подключается к первой паре с проводником n -типа, отрицательный контакт подведен к проводникам p -типа. В качестве внешних обкладок используется специальная керамика, изготовленная на основе оксида и нитрида алюминия. Это обеспечивает наилучшие показатели теплоотдачи на обеих сторон как при высоких, так и при низких температурах.

Число термопар в модуле ничем не ограничено и может быть до нескольких сотен. Чем их больше, тем лучше ощущается эффект охлаждения. Для повышения эффективности работы элемента Пельтье к его холодной стороне крепится радиатор с наибольшей площадью теплоотдачи. Разница в температуре между обкладками должна составлять не менее двух десятков градусов.

При подаче напряжения на обкладки одна из сторон становится горячей, а другая холодной. При смене полярности питающего напряжения температура пластин меняется местами.

Учитывая сложность и технологичность, сделать своими руками термоэлектрический элемент не представляется возможным. Но все же встречаются умельцы, которые предлагают свои разработки. Эффект наблюдается, но для повышения КПД без специальной исследовательской лаборатории получить невозможно. Даже можно найти видео по этой теме с пошаговым руководством.

Особенности элемента Пельтье

К особенностям элемента на основе биметаллических пар следует отнести:

Формульное отображение

Эффект Пельтье заключается в протекании тока через контакт двух металлов с разной проводимостью. В результате выделяется тепло или холод, что зависит от направления протекания тока.

В формульном выражении эффект Пельтье можно изобразить:

Q п=П12 j , где П12 – это коэффициент Пельтье . Показатель зависит от типа используемого металла, его термоэлектрических свойств.

Кроме преимуществ, в устройстве можно выделить и некоторые недостатки, к которым следует отнести:

Невысокий КПД. Для того чтобы получить значительный перепад температур, необходимо к обкладкам подводить достаточно большой ток.

Для эффективного отвода тепловой энергии необходимо предусматривать радиатор.

Генераторный режим элемента Пельтье

Открытие Жака-Шарля Пельтье буквально перевернуло мир, так как устройство может использоваться в качестве универсального генератора тепла и холода. Кроме этих функций, был отмечен еще один немаловажный эффект – генераторный режим. Если теплую сторону устройства нагревать, а холодную охлаждать, то на выводах возникает разница потенциалов, и при замыкании цепи начинает течь ток.

Генератор на основе элемента Пельтье можно сделать своими руками и для этого не потребуется особых навыков. Но стоит понимать, что используемый китайскими разработчиками материал не обладает идеальными характеристиками, позволяющими получать максимум энергии. Доступных термоэлектрических модулей в продаже хватит для:

• зарядки мобильных устройств;
• питания светодиодного освещения;
• изготовления автономного радиоприемника и прочих целей.

По этой теме можно найти массу видео с подробным описанием всех этапов. Поэтому если вы хотите сделать термоэлектрический модуль для получения энергии, то это вполне реально.

Первым делом необходимо заказать необходимое количество элементов Пельтье с учетом их характеристик. Устройство с мощностью 10 Вт на том же e — Bay стоит 15$. И этого вполне достаточно будет для зарядки смартфонов. Далее, необходимо обеспечить эффективное теплоотведение. Для этих целей можно сконструировать систему жидкостного охлаждения с естественной циркуляцией. А горячую сторону нагревать любым источником тепла, в том числе открытым огнем. В результате любой радиолюбитель может сделать сам великолепный термоэлектрический генератор, который можно взять с собой в поход, на рыбалку или дачу.

Один стандартный элемент-ячейка вырабатывает 5 В и 1 Вт мощности, чего вполне достаточно для небольшого освещения. Например, для изготовления фонарика с подогревом от тепла рук. В продаже имеются и готовые элементы с выходным напряжением до 12 В.

Переносная термоэлектрическая печка с генераторным режимом

Сегодня можно найти массу способов, как сделать своими руками достаточно эффективный термоэлектрический генератор на основе элемента Пельтье. Как один из них – портативная печка с топкой из старого компьютерного блока питания. К одной из сторон корпуса прикрепляется сам термоэлектрический элемент Пельтье через термопасту с радиатором внушительных размеров. Такая установка позволит получить тепло в любом удобном месте, приготовить пищу и зарядить телефон.

Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики — термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.

Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры — термостаты . Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.

Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.

Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц — фононов.

Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл — это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.

При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.

В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье .

Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.

А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей — это охлаждение небольших объектов или микросхем.

Термоэлектрический охлаждающий модуль

Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.

С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.

Пример практического использования эффекта Пельтье

Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.

Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье

И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.

Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.

Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов — твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.

P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию .

Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля () смотрите на этом видео:

А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!

Андрей Повный

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями , так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? «Ну а как же, например, бытовой холодильник» — скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод ? Оказывается существуют;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами, в этом месте наблюдалась пониженная температура . Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье .

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют элементом Пельтье — это термоэлектрический преобразователь , принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. T hermoE lectric C ooler — термоэлектрический охладитель).

Элемент Пельтье (практика)

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид — это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами. Сразу же отметил сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание «разности температур»? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать , который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный — на минус и подаем чуток напряжения , вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона «А» охлаждается, а сторона «Б» греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность , ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье — это 12 Вольт. Так как я подключил на красный — плюс, а на черный — минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру. Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор . Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — это фонарик, работающий от тепла руки

Мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс — он будет абсолютно бесшумен:-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

Как работают термоэлектрические генераторы | ООО «Прикладные термоэлектрические решения»

Как работают термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — это твердотельные полупроводниковые устройства, которые преобразуют разницу температур и тепловой поток в полезный источник постоянного тока. Полупроводниковые устройства термоэлектрического генератора используют эффект Зеебека для генерации напряжения. Это генерируемое напряжение управляет электрическим током и производит полезную мощность на нагрузке.

Термоэлектрический генератор — это не то же самое, что термоэлектрический охладитель.(также известный как TEC, модуль Пельтье, чипы охлаждения, твердотельное охлаждение)

Термоэлектрический охладитель работает наоборот термоэлектрического генератора. Когда на термоэлектрический охладитель подается напряжение, возникает электрический ток. Этот ток вызывает эффект Пельтье. Благодаря этому тепло перемещается с холодной стороны на горячую. Термоэлектрический охладитель также является твердотельным полупроводниковым прибором. Компоненты такие же, как у термоэлектрического генератора, но конструкция компонентов в большинстве случаев отличается.

В то время как термоэлектрические генераторы используются для выработки энергии, термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) используются для отвода или добавления тепла. Термоэлектрическое охлаждение находит множество применений в охлаждении, обогреве, охлаждении, контроле температуры и терморегулировании.

В центре внимания остальных постов — термоэлектрические генераторы.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

Основным строительным блоком термоэлектрического генератора является термопара.Термопара состоит из одного полупроводника p-типа и одного полупроводника n-типа. Полупроводники соединены металлической полосой, которая соединяет их последовательно. Полупроводники также известны как термоэлементы, кубики или гранулы.

Эффект Зеебека — это прямое преобразование энергии тепла в потенциал напряжения. Эффект Зеебека возникает из-за движения носителей заряда внутри полупроводников.В легированных полупроводниках n-типа носителями заряда являются электроны, а в легированных полупроводниках p-типа носителями заряда являются дырки. Носители заряда диффундируют от горячей стороны полупроводника. Эта диффузия приводит к скоплению носителей заряда на одном конце. Это накопление заряда создает потенциал напряжения, который прямо пропорционален разнице температур в полупроводнике.

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Для термоэлектрических генераторов обычно используются три материала.Эти материалы представляют собой теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Какой материал используется, зависит от характеристик источника тепла, радиатора и конструкции термоэлектрического генератора. Многие материалы для термоэлектрических генераторов в настоящее время проходят исследования, но еще не реализованы.

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Для создания модуля термоэлектрического генератора многие пары p-типа и n-типа электрически соединяются последовательно и / или параллельно для создания требуемых электрического тока и напряжения.Пары помещаются между двумя параллельными керамическими пластинами. Пластины обеспечивают жесткость конструкции, плоскую поверхность для монтажа и диэлектрический слой для предотвращения коротких замыканий.

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

До недавнего времени считалось, что Томас Зеебек открыл то, что сегодня известно как эффект Зеебека. Сейчас считается, что Алессандро Вольта открыл эффект Зеебека за 27 лет до Томаса Зеебека. Открытие произошло за 224 года до написания этой статьи.

В 1794 году Алессандро Вольта провел эксперименты, в которых он придал железному стержню U-образную форму. Один конец стержня нагревали, погружая его в кипящую воду. Когда неравномерно нагретый стержень был электрически соединен с уже не живой ногой лягушки, через ногу лягушки пропускался ток, и мышцы сокращались. Считается, что это первая демонстрация эффекта Зеебека.

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что когда одно из стыков двух соединенных разнородных металлов нагревается, стрелка компаса, расположенная на близком расстоянии, вращается.Первоначально это называлось термомагнитным эффектом. Позже было обнаружено, что напряжение и, следовательно, ток индуцировались нагревом перехода. Ток создавал магнитное поле по закону Ампера. Это индуцированное напряжение из-за нагрева перехода стало известно как эффект Зеебека.

Как вырабатывать электричество с помощью термоэлектрического генератора Пельтье

Термоэлектрический модуль Пельтье вырабатывает электричество, когда обе стороны имеют разную температуру. Например, вы можете использовать огонь, чтобы нагреть термоэлектрический генератор, охлаждая другую сторону водой.Эти модули дешевы, и это простой способ вырабатывать электроэнергию!

Что такое эффект Зеебека и как генерировать электричество?

Эффект Зеебека — это явление, при котором тепло рассеивается через полупроводник для выработки электричества. Эти термоэлектрические генераторы содержат провода, сделанные из двух разных материалов, таких как медь и железо. Эти два типа провода лежат с обеих сторон и соединены между собой. Следовательно, это приведет к возникновению разности потенциалов, если температура не одинакова с обеих сторон.Другими словами, термоэлектрический модуль Пельтье будет вырабатывать электричество.

Как пользоваться термоэлектрическим генератором?

Выработать электричество с помощью модуля Пельтье легко, потому что все, что вам нужно, — это найти лучший способ добиться большей разницы температур. Например, вы можете использовать свечу или небольшой огонь, чтобы нагреть одну сторону термоэлектрического генератора. Действительно, термоэлектрические генераторы Пельтье используются в коммерческих целях для создания тепловентиляторов для дровяных печей. Чтобы охладить другую сторону Пельтье, вы также можете использовать воду, содержащую кубики льда.Простая установка — использовать тонкую банку со свечой под ней и поставить сверху металлическую запеканку с холодной водой.

Каков КПД термоэлектрического генератора?

Эффективность термоэлектрического модуля Пельтье будет сильно варьироваться в зависимости от достигнутой разницы температур. Кроме того, важным фактором, который следует учитывать, является контакт между Пельтье и другими поверхностями. Следовательно, неадекватная или неровная поверхность снизит эффективность.Хороший способ генерировать больше электричества — также использовать термопасту. Это обеспечит максимальное рассеивание энергии между поверхностями.

В качестве справки, некоторые термоэлектрические модули SP1848-27145 также имеют спецификации, в которых указано, что они могут генерировать приблизительно:

Разница температур 20 градусов: 0,97 В и 225 мА

Разница температур 40 градусов: 1,8 В и 368 мА

Разница температур 60 градусов: 2,4 В и 469 мА

Разница температур 80 градусов: 3. 6 В и 558 мА

Разница температур 100 градусов: 4,8 В и 669 мА

Эти значения могут варьироваться в зависимости от вашей настройки, схемы подключения и нагрузки. Ознакомьтесь с моим руководством по цифровому мультиметру, чтобы узнать, как измерить напряжение и силу тока, создаваемые термоэлектрическим генератором.

Использование его с повышающим преобразователем для генерации определенного напряжения

Если ваша цель — достичь и поддерживать определенное напряжение, вы также можете использовать повышающий преобразователь. Эти модули увеличивают фактическое напряжение термоэлектрического генератора до фиксированного значения напряжения.Например, повышающий преобразователь с уменьшением силы тока для увеличения напряжения до желаемого значения, такого как 3,3 В или 5 В. Недостатком этого является то, что вы дополнительно ограничиваете силу тока в амперах. Вы все еще можете использовать повышающий преобразователь для питания небольших электронных устройств. Некоторые люди используют термоэлектрический генератор, чтобы сделать вентилятор для дровяной печи. Другой альтернативой было бы использование этого в сочетании с аккумулятором для хранения произведенной энергии.

Какой термоэлектрический модуль Пельтье выбрать?

Существует два основных типа термоэлектрических модулей Пельтье: термоэлектрические охладители (ТЕС) и термоэлектрические генераторы (ТЭГ).Эти модули Пельтье используют ту же технологию, но предназначены для определенной цели. Вы можете использовать TEC для охлаждающих устройств. В результате ток, подаваемый на ТЭО, можно использовать для охлаждения одной из его сторон. Такие модули Пельтье не являются термостойкими и также широко используются в термоэлектрических холодильниках или системах кондиционирования воздуха. Прочтите мой предыдущий пост, если хотите узнать больше о термоэлектрических охладителях Пельтье.

С другой стороны, термоэлектрические генераторы устойчивы к нагреванию и оптимальны для производства электроэнергии.Эти модули могут выдерживать температуру до 150 градусов по Цельсию. Следовательно, термоэлектрические генераторы могут использоваться с пламенем в качестве источника нагрева и будут более эффективными для выработки электроэнергии.

AliExpress.com Продукт — SP1848-27145 TEC 40x40mm Полупроводниковый термоэлектрический радиатор, модуль пластины Пельтье для выработки электроэнергии

Заключение

Термоэлектрические генераторы Пельтье дешевы и просты в использовании. Несмотря на то, что они не вырабатывают большой ток, их главное преимущество — простота конструкции и использования.Поэтому термоэлектрические генераторы — хороший способ преобразовать тепло в электричество. Их даже можно использовать на открытом воздухе для выработки электроэнергии на костре!

См. Также мой предыдущий пост об ультразвуковой диффузии эфирных масел и его использовании в ароматерапии или о том, как сделать простое преобразование Цельсия в Фаренгейта.

Удивительный генератор Зеебека | Марка:

Ячейки Пельтье — это плоские устройства, которые отводят тепло от одной стороны к другой посредством термоэлектрического принципа, называемого эффектом Пельтье.Ячейки обычно используются для отвода тепла от процессоров или видеокарт, а также используются в охладителях и обогревателях для кемпинга. Удивительный генератор Зеебека использует одно из этих устройств в обратном направлении, чтобы преобразовать дифференциал тепла в электричество, а не использовать электричество для создания разницы тепла.

Первоначально я сделал этот проект, потому что мне нужно было что-то вроде парогенератора, но без шума и проблем с обслуживанием, связанных с паром. Я был приятно удивлен, когда обнаружил, что мой элемент Пельтье за ​​$ 5 37 Вт от eBay может улавливать тепло от одной чайной свечи или спиртовой горелки и использовать его для выработки около 5 В при 1 А, что делает его идеальным для питания радиоприемников. мобильные телефоны и светодиодные фонари.Вы можете сделать удивительный генератор Зеебека менее чем за час, используя в основном лом или переработанные детали, и он имеет отчетливое ощущение стимпанка.

В кулере

Эффекты Пельтье и Зеебека обмениваются разницей температур и электричеством. В термоэлектрическом охладителе, также известном как устройство Пельтье, чередующиеся слои разных полупроводниковых материалов соединяются зигзагообразно между двумя пластинами. Нагрев одной пластины отталкивает электроны в одном материале, притягивая их в другом.Это индуцирует электрический ток в одном направлении — эффект Зеебека. И наоборот, при подаче напряжения на переход отводится тепло к одной стороне, а другая охлаждается — эффект Пельтье.

Несколько стыков зигзага работают параллельно, что увеличивает эффект. Независимо от того, используется ли устройство для преобразования разности температур в напряжение или наоборот, оно выполняет преобразование без движущихся частей.

К сожалению, термоэлектрические устройства обычно имеют КПД всего 1-2%, или 5% с учетом последних достижений.Этого недостаточно, чтобы сделать крупномасштабное производство термоэлектрической энергии (ТЭГ) практичным, хотя многие исследователи пытаются повысить эффективность. Но термоэлектрические генераторы полезны для других целей; они могут измерять экстремальные перепады температур и используются в системах отопления для питания конвекционных вентиляторов и насосов с использованием отработанного тепла, регенерированного из печных труб и котлов.

Принцип, лежащий в основе нашего удивительного генератора Зеебека, прост. Мы размещаем нашу ячейку Пельтье горизонтально над «печью» из жестяных банок, нагреваем нижнюю сторону свечой или спиртовой горелкой и охлаждаем верхнюю часть с помощью радиатора и вентилятора.

1. Сделайте печь для банок

1а. С помощью небольшого ножа или дремеля с режущей головкой сделайте 3 или 4 U-образных разреза на равном расстоянии вокруг пустой жестяной банки рядом с открытым концом (дном печи). Загните получившиеся металлические язычки на 90 ° в банку, чтобы получились скобки. Они будут удерживать крышку банки позже, чтобы создать ровную площадку для свечи.

ВНИМАНИЕ: Надевайте перчатки для защиты рук при резке металла.

1б.Вырежьте еще одно отверстие большего размера в банке между двумя скобами напротив шва банки, которое идет дальше к верху. Отверстие должно быть достаточно большим, чтобы сквозь него могли проходить свечи и пальцы. С помощью плоскогубцев загните края этих надрезов в банку так, чтобы не было видно острых краев.

1с. Вырежьте еще 2 прямоугольных отверстия с обеих сторон банки рядом с закрытым концом (верхом), чтобы свет светил и поступал воздух. Просверлите отверстие над каждым из них, ближе к закрытому концу, этого достаточно. чтобы болты прошли сквозь них.

2. Добавьте дымоход (необязательно)

Дымоход не является функционально необходимым, но он добавляет ощущение стимпанка и уравновешивает дизайн.
Если вы также хотите покрасить стороны банки, вы можете использовать высокотемпературную краску, но я предпочитаю естественный блеск металла.

2а. Просверлите или вырежьте еще одно отверстие в банке рядом с закрытым концом и сквозь шов, который является самой прочной частью банки. Отверстие должно быть того же размера, что и медное колено, и должно быть достаточно плотным, чтобы удерживать дымоход на месте.

2б. Проденьте колено через отверстие. Если он не плотно прилегает, используйте высокотемпературный силиконовый клей или замазку для ремонта выхлопных газов, чтобы закрепить его. Затем наденьте трубу дымохода на колено.

3. Сделайте прокладку

Вы можете просто разместить ячейку Пельтье между банкой и радиатором, но установка ее внутри прокладки ограничивает теплообмен вокруг нее, что повышает эффективность.

3а. Вырежьте из материала печатной платы круг такого же диаметра, как и консервная банка.Вы можете использовать кольцевую пилу или круговой нож, если он у вас есть. В противном случае используйте канцелярский нож, чтобы вырезать шестиугольную форму, затем подпилите ее по размеру. Печатная плата хрупкая, поэтому нанесите глубокие надрезы с обеих сторон и отщелкните излишки плоскогубцами.

3б. Вырежьте в прокладке отверстие для ячейки Пельтье. Обведите ячейку маркером, оставив дополнительное пространство для выходящих из ячейки контактов кабеля. Затем обрежьте контур канцелярским ножом.

4.Собери все вместе

4а. Прикрутите пружины к верхней части банки, пропустив каждый болт через конец пружины, гайку, банку и другую гайку внутри банки в указанном порядке. Закрепить болт на глубину дополнительной гайкой проще, чем иметь одну гайку внутри банки. Затем прикрепите радиатор к вентилятору 5 В. Я использовал тонкую медную проволоку, но вы также можете использовать клей или шурупы.

4б. Поместите прокладку в верхнюю часть банки и поместите ячейку Пельтье в зазор.Для повышения эффективности нанесите тонкий слой смазки для теплопередачи (также называемой компаундом для теплоотвода) с обеих сторон ячейки.

4с. Закрепите радиатор на верхней части ячейки Пельтье, зацепив верхние части пружин за натяжную планку радиатора. Если его нет, просверлите отверстия с каждой стороны, чтобы продеть пружины.

Установите крышку на держатели внутри. Если банка маленькая, закрепите ее на прочном основании с помощью силиконового клея. Затем сделайте подсвечник, который поместится внутри банки.Я использовал банку с анчоусами с жесткой проволокой в ​​качестве ручки.

4д. Скрутите или спаяйте вместе красный (+) и черный (-) провода от вентилятора и элемента Пельтье, красный с красным и черный с черным, а также подсоедините к каждому провод из крокодиловой кожи для подключения генератора к другим устройствам.

Украшайте как хотите (я добавил причудливую дверь от паровой машины к подсвечнику), и готово!

Огневая мощь

Одна свеча

Поставьте свечу в печь из жестяных банок и подождите, пока нагреется.Если свеча продолжает гаснуть, добавьте в печь еще дырок.

Если вы все сделали правильно, вентилятор начнет вращаться. Если у вас есть измеритель напряжения, вы должны начать видеть показания вскоре после того, как зажжется свеча. Если вентилятор не вращается, убедитесь, что провода вентилятора не подключены в обратном направлении.

Регулировка напряжения

Выходной сигнал ячейки Пельтье не регулируется, и его напряжение будет меняться вместе с пламенем и уровнем топлива. Нерегулируемая мощность может убить некоторое электронное оборудование (хотя я подключил свой MP3-плеер и радио к нерегулируемому току без каких-либо побочных эффектов).

Вы можете исправить это с помощью регулятора напряжения LM317. Эти дешевые и легкодоступные компоненты могут быть сконфигурированы для создания постоянного напряжения от 1,2 В до 25 В. Вы можете подключить элемент Пельтье, генерирующий примерно 5 В, к LM317, чтобы получить регулируемое выходное напряжение примерно до 3,8 В, которое настраивается поворотом потенциометра. Выходное напряжение 3,8 В позволяет включать мощный светодиод, заряжать КПК или мобильный телефон, а также включать радио или MP3-плеер.

Для питания устройств с более высоким напряжением вам потребуется создать повышающий стабилизатор, который объединяет схему генератора с умножителем напряжения для повышения напряжения при понижении тока.

ВНИМАНИЕ: Цепи повышающего напряжения умеренно сложны, и вам не следует пытаться их построить, если вы не знакомы с электроникой, поскольку они могут вызвать неприятный (и потенциально смертельный) ток.

Повышение выходной мощности

Для большей мощности используйте спиртовую горелку вместо свечи и увеличьте пламя. Используйте банку меньшего размера, радиатор большего размера и много смазки для радиатора.

Вы также можете увеличить производительность, соединив несколько ячеек Пельтье.Соедините их параллельно, чтобы увеличить ток, и соедините их последовательно, чтобы увеличить напряжение. Используйте диоды LN4001 или LN4002, чтобы предотвратить проникновение тока в ячейки. В случае параллельных ячеек подключите диод к положительному выводу каждой ячейки так, чтобы его серебряная полоса была обращена в сторону от ячейки. Подключив ячейки последовательно, подключите диод от красного провода каждой ячейки к черному проводу следующей ячейки, чтобы серебряная полоса была обращена к черному.

Научное руководство по пониманию и использованию TEG Power!

Науку (эффект Зеебека), лежащую в основе термоэлектрической генерации, часто называют феноменом. Мы думаем, что TEG, безусловно, необыкновенные и впечатляющие! Иногда они могут быть непонятными для понимания и трудными в использовании. Вот почему мы составили это краткое руководство, чтобы объяснить, как ТЭГ преобразуют тепло в энергию, из каких частей и компонентов они сделаны, и как вы можете легко использовать их для практических решений в области альтернативной энергетики. Независимо от того, находитесь ли вы в автономном режиме, живете в удаленном районе или в холодных условиях, возможно, для вас найдется приложение, в котором можно использовать ТЭГ для преобразования отработанного тепла в электричество.

Начнем с того, что ТЭГ, сокращенно от термоэлектрического генератора, представляет собой устройство, которое преобразует разницу температур в электричество. Я объясню, как именно это происходит (эффект Зеебека) позже. Но сначала давайте рассмотрим общую терминологию TEG. Знание этих терминов и их взаимосвязи поможет облегчить понимание TEG.

Термоэлектрический модуль
В основе ТЭГ находится термоэлектрический модуль (ТЭМ), который мы также называем ТЭГ-модулем (на рисунке справа показан ТЭГ-модуль от TEGpro). И внутри этого модуля TEG происходит волшебство (эффект Зеебека).

Термоэлектрический генератор
Генератор ТЭГ — это устройство, в котором в качестве основных компонентов используется один или несколько модулей ТЭГ, за которыми следует система охлаждения. Система охлаждения может быть пассивной воздушной, активной воздушной или гидравлической. Эти компоненты затем собираются в сборку, которая функционирует как единое целое, называемое термоэлектрическим генератором (здесь изображен ТЭГ-генератор Devil Watt с активным воздушным охлаждением).

Термоэлектрическая система
Делая шаг вперед, система ТЭГ включает другое оборудование в ТЭГ, например водяные насосы, электронику и прошивку. Это помогает расставить приоритеты по мощности и поддерживать охлаждение системы. Хорошим примером системы ТЭГ является система ТЭГ TEGpro мощностью 100 Вт с водяным охлаждением, которая будет циркулировать воду из системы водяного отопления плинтуса через ТЭГ с водяным охлаждением.

Теперь о науке.

Эффект Зеебека
Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что разница температур между двумя разными металлами приводит к разнице напряжений.Потратьте несколько секунд, чтобы просмотреть изображение справа, вы увидите два разных электрических проводника, которые называются: P-типа и N-типа. Происходит то, что нагретые электроны текут к более холодным (см. Положительные / отрицательные стрелки, указывающие вниз). И когда эта пара подключается через электрическую цепь, через нее течет постоянный ток.

Эффект Зеебека в сравнении с эффектом Пельтье
Эффект Пельтье — это обратное явление. Вместо того, чтобы применять разность температур, через материалы пропускается электрический ток, в результате чего происходит нагрев или охлаждение.Наша цель состояла в том, чтобы определить их как можно проще и предоставить изображения для их представления, но если вам нужны определения из Википедии, их можно увидеть здесь.

Эффект Зеебека внутри модуля ТЭГ
Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, малы и зависят как от используемого материала, так и от разницы температур. Однако внутри модуля ТЭГ имеется несколько пар P-типа и N-типа, которые можно соединить последовательно для увеличения выходного напряжения или параллельно для увеличения тока.На изображении справа вы можете видеть материалы P-типа и N-типа, последовательно соединенные желтыми линиями.

Как изготавливаются модули термоэлектрических генераторов?
Конструкция силового модуля Teg состоит из пар полупроводниковых материалов p-типа и n-типа с высоким термоэлектрическим коэффициентом. Хотя можно использовать многие сплавы, теллурид висмута является наиболее распространенным материалом, используемым сегодня. Этот материал нарезан на небольшие блоки, один из которых образует провод p-типа, а другой — провод n-типа.Каждая пара образует термоэлектрическую пару (ТЭП). Эти термопары чаще всего соединяются электрически, образуя массив из нескольких термопар (термобатареи). В отличие от припоя, используемого в конструкции ТЭО, для модулей термоэлектрических генераторов часто требуются припои, температура оплавления которых превышает 400 C.

Большинство компаний-производителей модулей термоэлектрических генераторов используют множество термоэлектрических пар, которые зажаты между двумя частями неэлектропроводящих материалов. Также необходимо, чтобы этот материал был теплопроводным, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу, обычно используются две тонкие керамические пластины, чтобы сформировать так называемый термоэлектрический модуль.

Каждый модуль может содержать десятки пар термоэлектрических пар и называться модулями термоэлектрического генератора, модулями ТЕС и иногда модулями Пельтье или Зеебека, что просто означает, используются ли они для выработки электроэнергии (Зеебек) или для производства тепла или холода (Пельтье). . Функционально между ними нет никакой разницы. Оба они способны производить тепло и холод или вырабатывать электричество, в зависимости от того, используется ли тепло или электрический ток.

Однако существуют различия в производительности между различными модулями в зависимости от того, для чего они были изготовлены.Например, если модуль изготавливается для использования в автомобильном охладителе постоянного тока на 12 В, термоэлектрические пары будут более толстыми, как и провод, соединяющий модули с источником питания постоянного тока на 12 В. В большинстве случаев сам модуль довольно большой. Это связано с тем, что модуль будет проводить большую нагрузку по току и должен будет выдерживать нагрузку. Хотя этот тип модулей может использоваться для выработки электроэнергии, они не очень подходят для этой задачи, поскольку имеют высокое внутреннее сопротивление (снижение мощности) и более низкотемпературный припой, который может расплавиться при использовании в целях Зеебека.Это означает, что электрическое соединение может выйти из строя, когда к модулю будет приложено большее количество тепла, необходимого для выработки значительного количества электроэнергии.

Если термоэлектрический модуль изготавливается для использования в термоэлектрическом генераторе, он имеет свои собственные уникальные требования. Во-первых, они должны иметь самое низкое внутреннее сопротивление и высокотемпературный припой, например, из серебра, для соединения проводов. Также необходимо использовать проволоку с покрытием из ПТФЭ или стекловолокна, чтобы выдерживать высокие температуры.Силиконовые рукава из стекловолокна можно надевать на провода, чтобы обеспечить дополнительную защиту от высоких температур.

Сколько электроэнергии можно вырабатывать?
Вы можете быть сильно удивлены! Несмотря на то, что дровяная печь не считается источником отработанного тепла, ниже приведен пример того, сколько энергии вы можете произвести. Используется 15-ваттный дьявольский ватт-генератор, построенный на термоэлектрических модулях Tegpro. Выходная мощность этого термоэлектрического генератора составляет до 15 Вт, а светильник представляет собой 10-ваттный светильник EverLed LVL2 для скрытого монтажа.Компания Tegpro разработала термоэлектрические генераторы для дровяных печей, мощность которых превышает 200 Вт при производстве термоэлектрической энергии!

Потребность в энергии термоэлектрического генератора
Электричество — необходимость. Если вам когда-либо приходилось страдать из-за длительного отключения электроэнергии, вы бы знали, каково это — потерять всю еду в холодильнике. Если вы живете в холодном климате, ваш дом был холодным, потому что в нем нет тепла, так как большинству систем отопления требуется электричество для работы. Миллионы людей оказались в таком положении, когда зимний шторм отключил электричество на больших территориях.

Солнечные панели — отличный возобновляемый источник энергии, но они производят энергию только в дневное время. Их суточная выработка значительно снижается в более короткие дни в зимние месяцы. Использование генераторов TEG в холодном климате в сочетании с солнечной батареей может обеспечить все потребности вашего дома в энергии.

Преимущества термоэлектрического генератора
Когда вы сравните стоимость солнечных и термоэлектрических генераторов, живущих в холодном северном климате (на основе количества электроэнергии, которую они фактически производят в день), вы обнаружите, что термоэлектрические генераторы TEG Power стоят намного меньше за кВт · ч. чем солнечный.Фотоэлектрический эквивалент 100 Вт мощности ТЭГ, работающей на дровяной печи, составляет 660 Вт солнечных панелей или 2,4 кВтч в день. Это означает, что при усреднении 125-ваттной термоэлектрической мощности в доме в Вермонте можно производить такое же количество электроэнергии в день, как и 1000-ваттные солнечные фотоэлектрические панели. Если сравнивать затраты, диапазон цен на 1000 ватт солнечной энергии составит до 3000 долларов в зависимости от конкретной марки. Тогда как стоимость 125-ваттной термоэлектрической энергии может составлять всего 1200 долларов. В отличие от солнечных батарей, ТЭГ не зависят от солнца для выработки энергии.Если у вас есть постоянный источник тепла, например дрова или пеллеты, ТЭГ могут производить электроэнергию 24 часа в сутки. В отличие от генераторов, работающих на ископаемом топливе, у ТЭГов мало движущихся частей, кроме охлаждающих вентиляторов или насосов водяного охлаждения, и они рассчитаны на более чем 100 000 часов непрерывной работы.

Power Generation — термоэлектрический

Выходная мощность (P _o ) модуля в ваттах составляет:

P _o = R _L x

Возможно, но маловероятно, что в рамках данного применения генератора будут существовать точные условия, при которых один модуль будет обеспечивать точную желаемую выходную мощность.В результате большинство термоэлектрических генераторов содержат ряд отдельных модулей, которые могут быть электрически соединены последовательно, параллельно или последовательно / параллельно. Типичная конфигурация генератора показана на рисунке (13.2). Этот генератор имеет общее количество модулей NT с количеством модулей, подключенных последовательно, и количеством модулей, подключенных параллельно. Общее количество модулей в системе:

NT = NS x NP

Рисунок (13-2)

с последовательно-параллельным расположением модулей

Ток (I), проходящий через сопротивление нагрузки R _L , составляет:

Выходное напряжение (В _O ) от генератора в вольтах составляет:

Выходная мощность (P _O ) генератора в ваттах составляет:

	NT x (S M x DT) 2 _________________ 4 x R M
P O = V O x I =

Общая тепловая нагрузка (Qh) на генератор в ваттах составляет:

КПД (E _g ) генератора составляет:

P _O
E _г = ——— x 100%
Qh

Максимальный КПД достигается, когда внутреннее сопротивление генератора (R _GEN ) равно сопротивлению нагрузки (R _L ). Сопротивление генератора:

NS x R _M
R _GEN = —————
NP

13.3 ПРИМЕР КОНСТРУКЦИИ: Чтобы проиллюстрировать типичный процесс проектирования, давайте проанализируем потребность в термоэлектрическом генераторе на 12 В, 1,5 А. Генератор необходим для питания телеметрической электроники на удаленном нефтепроводе, где горячая, непрерывно текущая нефть создает температуру кожуха трубы 130 ° C.Проточная вода (имеющая температуру 10 ° C) также доступна на удаленном участке, и было определено, что эффективный радиатор с водяным охлаждением может поддерживать температуру +30 ° C на холодной стороне генератора TE. используйте уравнения из раздела 11, чтобы получить значения SM, RM и KM для наших расчетов.

Чтобы начать процесс проектирования, мы рассмотрим параметры системы и сделаем некоторые предварительные расчеты.

Дано:

T _h = + 130 ° C = 403. 2 ° K
T _c = + 30 ° C = 303,2 ° K
V _o = 12 вольт
I = 1,5 ампер

Для этого:

T _av = (T _h + T _c ) / 2 = (403,2 + 303,2) / 2 = 353,2 ° K
R _L = V _o / I = 12 / 1,5 = 8,0 Ом
P _o = V _o x I = 12 x 1,5 = 18 Вт
DT = T _h -T _c = 403.2 — 303,2 = 100 ° К

Обычно желательно выбирать термоэлектрический модуль с относительно «высокой мощностью» для генераторов, чтобы минимизировать общую стоимость системы. По этой причине мы выберем модуль на 127 пар, 6 ампер, который будет использоваться в нашем дизайне.

При расчете SM, RM и KM для нашего выбранного модуля на 127 пар, 6 ампер, при Tav = 353,2 ° K получены следующие значения:

S _M = 0,05544 В / ° K
R _M = 3. 0994 Ом
K _M = 0,6632 Вт / ° K

Требуемая мощность нагрузки была рассчитана как 18 Вт. Теперь необходимо определить минимальное количество модулей, необходимых для удовлетворения этого требования к нагрузке. Максимальная выходная мощность от одного модуля:

Минимальное необходимое количество модулей:

Поскольку максимальная эффективность генератора достигается, когда R _GEN = R _L , для большинства приложений желательно выбрать конфигурацию последовательного / параллельного модуля, которая наилучшим образом приблизит этот баланс сопротивлений. Одним из возможных исключений для выравнивания R _GEN с R _L является ситуация, когда требуется относительно низкий ток (в миллиамперном диапазоне) и умеренное напряжение. В этом случае соединение всех модулей электрически последовательно может дать наилучшие результаты.Однако имейте в виду, что максимальное выходное напряжение от генератора будет получено от группы модулей с прямым последовательным соединением только тогда, когда сопротивление нагрузки значительно превышает внутреннее сопротивление генератора.

В качестве отправной точки при оценке любого термоэлектрического генератора часто бывает полезно сначала изучить конфигурацию с прямым последовательным соединением. Сопротивление последовательной цепочки из восьми модулей составляет:

Видно, что сопротивление генератора 24,8 Ом значительно выше, чем сопротивление нагрузки 8,0 Ом, что указывает на то, что прямое последовательное соединение модулей, вероятно, не лучший вариант. Для условий всех серий, где NS = 8 и NP = 1, выходное напряжение составляет:

В группе из восьми модулей следующая наиболее логичная конфигурация соединения — это две параллельные цепочки по четыре модуля, т.е.е., NS = 4 и NP = 2. Сопротивление генератора для этой конфигурации, таким образом, составляет:

В то время как R _{на 6,2 Ом, значение GEN} не совсем соответствует 8.Сопротивление нагрузки 0 Ом, это значение обычно считается находящимся в удовлетворительном диапазоне. В любом случае, это наиболее близкое соответствие сопротивления, которое может быть получено с выбранным типом модуля. Напряжение для этой схемы (12,49 В) рассчитывается следующим образом:

Теперь мы можем видеть, что Vo довольно близко к желаемому значению, и очевидно, что мы получили оптимальную последовательную / параллельную конфигурацию. Если требуется «точная настройка» Vo, это необходимо будет выполнить либо с помощью некоторой формы электронного регулирования напряжения, либо путем внешнего изменения применяемого перепада температур (DT).В некоторых случаях будет обнаружено, что выходное напряжение значительно выходит за пределы допустимого диапазона, несмотря на попытку всех возможных последовательностей / параллельных комбинаций. В этом случае может потребоваться использовать альтернативный термоэлектрический модуль, имеющий другой номинальный ток и / или количество пар.

Теперь можно завершить анализ конструкции, определив уровни мощности и КПД. Поскольку мы установили Vo, выходную мощность (Po) можно просто вычислить:

(V _o ) ² (12.49) ²
P _o = ——— = ——— = 19,5 Вт
RL 8,0

Общая тепловая нагрузка (Qh) на генератор составляет:

КПД генератора (Eg) составляет:

Тепло, передаваемое радиатору холодной стороны (Qc), составляет:

Q _c = Q _h — P _o = 657,7 — 19,5 = 638,2 Вт

Максимально допустимое тепловое сопротивление (Qs) радиатора холодной стороны составляет:

Для любой конструкции термоэлектрического генератора всегда желательно максимизировать применяемый перепад температур, чтобы минимизировать общее количество модулей в системе. Эта ситуация хорошо видна на рисунке (13.3). Требования к модулям для типичного 12-вольтового генератора с силой тока 1 ампер представлены на графике при нескольких фиксированных значениях Th, основанных на использовании 127-парных 6-амперных модулей TE.Из этого графика видно, что требуется очень большое количество модулей, когда температура холодной стороны (Tc) высока и, следовательно, перепад температур небольшой. Производительность радиатора с холодной стороны имеет первостепенное значение, и его тепловое сопротивление должно быть чрезвычайно низким. Во многих случаях конструкция теплоотвода с холодной стороны оказывается самой сложной инженерной проблемой.

Рисунок (13-3)

Общее количество 127 пар модулей по 6 ампер, необходимых для 12-вольтового термоэлектрического генератора мощностью 1 ампер

13.4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В КАЛОРИМЕТРЕ : Менее, но жизнеспособное применение термоэлектрических модулей, работающих в режиме выработки электроэнергии, заключается в создании калориметров. В обычном калориметре для измерения тепла используются обычные термопары, основанные исключительно на эффекте Зеебека. За счет использования термоэлектрического охлаждающего модуля с несколькими парами можно изготовить калориметр, имеющий чувствительность (выходное напряжение на единицу плотности теплового потока) в 10–200 раз большую чувствительность стандартной термопары медь-константин.При использовании в калориметре термоэлектрический модуль часто называют термобатареей. Выходное напряжение холостого хода (В) одной термоэлектрической пары, как описано в параграфе 13.2 и показано на рисунке (13.1), составляет:

В = S x DT

Где :

В = выходное напряжение пары в вольтах
S = средний коэффициент Зеебека в вольтах / ° K
DT = разница температур в паре в ° K, где DT = Th-Tc

Для реального модуля TE, имеющего несколько пар и коэффициент Зеебека SM, выходное напряжение (Vo) составляет:

V _o = S _M x DT

Тепловой поток через ТЭ или «термобатарею» составляет:

Где :

Q = тепловой поток в ваттах
KM = теплопроводность модуля в ваттах / ° K

Суммарная площадь поперечного сечения (AM) всех элементов в модуле составляет:

A _M = A x N

Где :

AM = общая площадь всех элементов модуля в см ²
A = площадь поперечного сечения одного элемента в см ²
N = общее количество элементов в модуле

Плотность теплового потока (q) в Вт / см ² составляет:

Большинство стандартных термоэлектрических охлаждающих модулей могут использоваться в калориметрах, но улучшенная чувствительность может быть реализована путем изменения отношения длины к площади (L / A) элементов ТЕ.Относительно большое отношение L / A, приводящее к высокому и «тощему» элементу, обеспечивает наилучшую чувствительность калориметра. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию, рассмотрим следующее:

Чувствительность модуля как калориметра (Sc) составляет:

Было видно, что чувствительность (Sc) прямо пропорциональна коэффициенту Зеебека (SM) и общей площади поперечного сечения (AM) и обратно пропорциональна теплопроводности (KM).Переписав приведенное выше уравнение относительно теплопроводности (k) вместо теплопроводности (KM), мы получим:

Поскольку N x A = AM, выражение можно переформулировать как:

Из этого уравнения очевидно, что чувствительность калориметра напрямую связана с длиной (L) элемента, и поэтому желательно выбирать термоэлектрический модуль с максимально возможным соотношением сторон элемента.Имейте в виду, что существуют практические ограничения на геометрию элемента из-за хрупкости кристаллического материала теллурида висмута. Однако, работая в этих пределах, можно изготавливать специальные модули, которые особенно подходят для использования в калориметрах.

Высокопроизводительный переносной термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, утилизации и реконфигурации в стиле Lego

Abstract

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются отличным кандидатом для питания носимой электроники и «Интернета вещей» благодаря своим возможностям прямого преобразования тепла в электрическую энергию.Здесь мы сообщаем о высокопроизводительном переносном ТЭГ с превосходной растяжимостью, самовосстановлением, пригодностью для вторичной переработки и реконфигурируемостью, подобной Lego, за счет объединения модульных термоэлектрических чипов, динамического ковалентного полиимина и текучей жидкометаллической электропроводки в конструкции механической архитектуры « мягкие подключаемые модули материнской платы ». Достигается рекордно высокое напряжение холостого хода среди гибких ТЭГ, достигающее 1 В / см ² при разнице температур 95 К. Кроме того, этот ТЭГ интегрирован с селективной по длине волны пленкой из метаматериала на холодной стороне, что приводит к значительно улучшена производительность устройства при солнечном облучении, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха.Представленные здесь оптимальные свойства и концепции конструкции ТЭГ могут открыть путь к созданию высокопроизводительных, адаптируемых, настраиваемых, долговечных, экономичных и экологичных устройств сбора энергии следующего поколения с широким спектром применения.

ВВЕДЕНИЕ

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) могут напрямую преобразовывать низкопотенциальное тепло в электричество и, таким образом, являются очень многообещающими источниками энергии для носимой электроники и «Интернета вещей» ( 1 ). Однако обычные ТЭГ жесткие и хрупкие ( 2 — 6 ) и, таким образом, не могут быть адаптированы к сложным геометрическим и податливым свойствам материала человеческого тела.В последнее время большое внимание привлекла разработка гибких ТЭГ-систем, в том числе использование термоэлектрических (ТЭ) пленок ( 7 , 8 ), термоэлектрических масс ( 9 , 10 ), термоэлектрических чернил для печати ( 11 — 15 ), термоэлектрические волокна ( 16 , 17 ) и органические термоэлектрические материалы ( 18 , 19 ). Однако в очень немногих исследованиях сообщалось о ТЭГ с хорошей растяжимостью ( 7 , 17 ), что имеет решающее значение для обеспечения конформного контакта со сложной геометрией человеческого тела для оптимальных термоэлектрических характеристик ( 20 — 28 ).Вдохновленная способностью к самовосстановлению человеческой кожи, самовосстанавливающаяся электроника также продемонстрировала многообещающий потенциал носимой электроники для повышения надежности и долговечности ( 29 — 34 ). Однако в системах ТЭГ эта возможность еще не реализована.

В этой работе мы сообщаем о первой самовосстанавливающейся и перерабатываемой системе ТЭГ с превосходной растяжимостью и термоэлектрическими характеристиками. Достигнуто рекордно высокое напряжение холостого хода среди гибких ТЭГ, достигающее 1 В / см ² при перепаде температур 95 К.Кроме того, эта система ТЭГ обладает возможностью реконфигурирования, подобной Lego, что позволяет пользователям настраивать устройство сбора энергии в соответствии с тепловыми и механическими условиями. Эти свойства реализуются за счет интеграции высокопроизводительных модульных термоэлектрических чипов, динамического ковалентного термореактивного полиимина в качестве подложки и инкапсуляции и текучего жидкого металла в качестве электропроводки с помощью новой конструкции механической архитектуры «мягких материнских плат и жестких подключаемых модулей» (SOM-RIP). Наконец, на холодную сторону ТЭГ вводится селективная по длине волны пленка из метаматериала для улучшения термоэлектрических характеристик при солнечном облучении, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Разработка и изготовление устройства

ТЭГ состоит из модульных термоэлектрических чипов, жидкого металла в качестве электропроводки и динамического ковалентного термореактивного полиимина в качестве подложки и оболочки для разводки жидкого металла (рис. 1A). Полиимин можно синтезировать путем сшивания трех коммерчески доступных соединений, терефталевого альдегида, 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина и трис (2-аминоэтил) амина (рис. S1) ( 29 , 35 , 36 ).Для изготовления термоэлектрических чипов мы нанесли тонкие пленки халькогенидов Bi и Sb на полиимидные пленки с помощью термического испарителя, который служил ножками n-типа и p-типа соответственно (рис. S2). Размеры ветвей n-типа и ветвей p-типа были определены в процессе оптимизации эффективности преобразования энергии (примечание S1 и таблица S1). Для улучшения кристалличности и производительности мы затем обрабатывали термоэлектрические пленки при 320 ° C в течение 26 минут в атмосфере аргона. Затем с помощью теплового испарителя были нанесены электроды Au-Ge для образования соединений между ветвями n-типа и ветвями p-типа, что завершает изготовление термоэлектрических чипов (рис.S2 и S3A). Процесс сборки модульных термоэлектрических чипов в ТЭГ схематично описан на рис. 1А. Все началось с лазерной резки полииминовой подложки для создания прорезей (рис. S3B), за которой последовала трафаретная печать на жидкометаллических электрических проводках с рисунком (рис. S3C и S4). Затем модульные термоэлектрические чипы вставляли в прорези полииминового субстрата и добавляли небольшое количество раствора полиимина [терефталевый альдегид + 3,3′-диамино- N -метилдипропиламин + трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] был применен для соединения термоэлектрических чипов с подложкой и для герметизации жидкометаллических проводов.На вставке к фиг. 1A представлено покомпонентное изображение конструкции устройства, а на фиг. 1B показано оптическое изображение собранного устройства ТЭГ. Подробные процессы изготовления можно найти в дополнительных материалах (примечание S2 и рис. S2 и S5).

( A ) Схематическое изображение конструкции, процесса изготовления и ключевых характеристик, включая самовосстановление, возможность вторичной переработки и реконфигурируемость, подобную Lego. Оптические изображения ТЭГ, когда он плоский ( B ), изогнутый ( C ), растянутый ( D ) и надетый на палец ( E ).Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Благодаря реакциям обмена связями в динамической ковалентной термореактивной полииминовой сети и текучести жидкометаллической электропроводки ( 29 , 36 ) этот ТЭГ является самовосстанавливающимся, пригодным для вторичной переработки и реконфигурируемым в стиле Lego, как схематически проиллюстрировано на фиг. 1A. Кроме того, этот ТЭГ обладает прекрасными механическими свойствами. Его можно сгибать (Рис. 1C), растягивать (Рис. 1D) и носить на пальце (Рис. 1E) во время работы.

Выходная мощность и термоэлектрическая стойкость

Мощность и выходное напряжение ТЭГ со 112 термоэлектрическими ветвями при различных перепадах температур были испытаны с использованием лабораторной установки (рис. S6). На рис. 2 (от A до C) показаны выработка электроэнергии ( P _из ) и напряжение холостого хода ( В, _oc ) на единицу площади при разнице температур (Δ T ) в диапазоне от 6 до 95 К. при фиксированной температуре холодной стороны 20 ° C. Зависимость между выработкой электроэнергии ( P _из ) и выходным напряжением ( В, _{нагрузка} ) при различных перепадах температур приведена на рис.2А. На рисунке 2B показано, что максимальная выработка электроэнергии P _max увеличивается с перепадом температур Δ T и достигает 19 мкВт / см ² при Δ T = 93 К. Напряжение холостого хода на единицу площади В _oc , как показано на рис. 2C, линейно увеличивается с перепадом температур и достигает 1 В / см ² при Δ T = 95 K, что значительно выше, чем у других гибких ТЭГ, описанных в литературе ( 7 — 19 ).На рисунке 2D представлены результаты испытаний на выносливость этого ТЭГ. Выработка энергии ТЭГ оставалась стабильной в течение 100 часов, когда горячая сторона была зафиксирована на уровне 100 ° C, а холодная сторона подвергалась внутренней естественной конвекции. Результаты показывают превосходную термическую и электрическую стойкость этого ТЭГ. На рисунке 2E показано сравнение с гибкими ТЭГ, описанными в литературе, по шести показателям производительности, включая максимальную удельную мощность, максимальное напряжение холостого хода, гибкость (измеренную в радиусе изгиба), растяжимость, самовосстановление и пригодность для вторичной переработки (см. Таблицу S2 и рис. .S7 для подробностей) ( 7 — 19 ). Представленные здесь ТЭГ демонстрируют гибкость и максимальную удельную мощность, сравнимые с другими гибкими ТЭГ, но их растяжимость и максимальное напряжение холостого хода намного лучше. Кроме того, наши ТЭГ являются самовосстанавливающимися, пригодными для вторичной переработки и реконфигурируемыми в стиле Lego (что будет продемонстрировано позже), и эти свойства еще не были продемонстрированы в системах ТЭГ.

( A ) Выработка электроэнергии ( P _out ) как функция выходного напряжения ( V _{нагрузка} ) при различных перепадах температур (Δ T ), с температурой холодной стороны ( T _{холодный} ) выдерживали при 20 ° C.Черные точки — данные измерений. ( B ) Максимальная выработка электроэнергии ( P _макс ) в зависимости от разницы температур. ( C ) Напряжение холостого хода ( В _oc ) в зависимости от разницы температур. Сплошные линии на (A) и (B) — аппроксимирующие кривые с использованием параболических функций. Сплошная линия на (C) — это линейная аппроксимирующая кривая. ( D ) Столетнее испытание на выносливость при температуре горячей стороны ( T _hot ), поддерживаемой при 100 ° C.Холодная сторона была естественной конвекцией, а температура в помещении ( T _{, комната} ) была около 26 ° C. ( E ) Сравнение характеристик этого ТЭГ и других гибких ТЭГ, приведенных в литературе (подробности см. В дополнительных материалах). Под гибкостью понимается минимальный радиус изгиба ТЭГ, экспериментально продемонстрированный в литературе.

Носимый ТЭГ и механические свойства

Этот ТЭГ обладает превосходной механической гибкостью, поэтому его можно носить на теле человека для сбора энергии.На рис. 3А показан ТЭГ, прикрепленный к предплечью при комнатной температуре 25 ° C, а на вставке показано инфракрасное измерение распределения температуры по устройству. На рисунке 3В показано, что это устройство ТЭГ может генерировать среднюю выходную плотность мощности 45 и 83 нВт / см ² и среднее выходное напряжение 25 и 33 мВ / см ² , когда пользователь сидел и шел, соответственно (рис. . S8). Для площади поверхности типичного спортивного браслета (6 см на 25 см) выходная мощность 12.5 мкВт и выходное напряжение 5 В могут генерироваться, когда пользователь идет, чего достаточно для непосредственного управления большинством узлов датчиков с низким энергопотреблением с помощью радиочастотной связи.

( A ) Оптические и инфракрасные (вставные) изображения ТЭГ, прикрепленного к руке. ( B ) Выработка энергии ( P _из ) и выходное напряжение ( В, _{нагрузка} ) ТЭГ со 112 термоэлектрическими ножками на коже человека, когда пользователь сидел и шел.Холодная сторона была естественной конвекцией. Метод конечных элементов (МКЭ) моделирует контуры распределения деформации в ветвях ТЭГ и ТЭ (вставка), когда ТЭГ изгибается до радиуса 3,5 мм ( C ) и растягивается на 120% ( D ). ( E ) Изменение относительного электрического сопротивления и стабильность выработки электроэнергии за 1000 циклов изгиба. На вставке показаны оптические изображения ТЭГ в плоском и изогнутом состоянии. Радиус изгиба r = 3,5 мм, R ₀ — исходное сопротивление, а Δ R — изменение сопротивления.( F ) Изменение относительного электрического сопротивления и выработка энергии в зависимости от степени растяжения (Δ L / L ₀ ). Для измерений выходной мощности ( P _из ) в (E) и (F) температура горячей стороны поддерживалась на уровне 41 ° C, на холодной стороне была естественная конвекция, а температура в помещении составляла около 26 ° C. На вставке в (F) показаны оптические изображения ТЭГ во время испытания на растяжение, который включен последовательно со светоизлучающим диодом (LED) и источником постоянного тока 4 В для визуальной демонстрации (рис.S11). Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Для носимых устройств первостепенное значение имеют механические свойства. Чтобы улучшить механическую гибкость и растяжимость ТЭГ, мы представляем инновационную конструкцию SOM-RIP. Эта конструкция может эффективно отделять жесткие и хрупкие чипы ТЭГ от деформаций в мягкой полииминовой подложке во время механической деформации. Результаты моделирования методом конечных элементов (FEM), показанные на рис. 3 (C и D), доказывают эффективность этой конструкции SOM-RIP в улучшении механических свойств ТЭГ.На рис. 3С показан контур максимального распределения основной деформации в ТЭГ, когда он изогнут до радиуса 3,5 мм. На вставке максимальное напряжение в ветвях TE составляет 0,0003%. На рисунке 3D показан контур распределения максимальной основной деформации в ТЭГ при растяжении на 120%. На вставке видно, что максимальная деформация в термоэлектрических ветвях составляет всего 0,1%, что ниже деформации разрушения (≈0,15%) ( 37 ) ТЭ материалов. Эта конструкция SOM-RIP обеспечивает коэффициент уменьшения деформации в 1200 раз.Контуры распределения деформаций в полиимиде и Au-Ge от изгиба и растяжения представлены на рис. S9.

Для обеспечения механической прочности мы провели испытание на циклический изгиб с радиусом изгиба 3,5 мм. Как показано на фиг. 3E и фиг. S10, электрическое сопротивление остается постоянным, а выходная мощность не показывает явных изменений. На рис. 3F показано относительное изменение сопротивления и выходная мощность в зависимости от механической деформации растяжения. Как сопротивление, так и выходная мощность не показывают заметных изменений, когда устройство ТЭГ растягивается до 120%.Это также демонстрирует вставка, так как яркость светодиода (LED) при его растяжении на 120% сравнима с яркостью, когда ТЭГ не растянут (рис. S11).

Следует отметить, что гибкость и растяжимость этого ТЭГ ограничены в направлении, параллельном термоэлектрическим кристаллам. Однако ТЭГ со сверхвысокой гибкостью и растяжимостью в одном направлении хорошо подходят для цилиндрических источников тепла, таких как руки, ноги и пальцы, для носимых устройств и промышленных трубопроводов для сбора отработанного тепла.

Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Lego

В этом ТЭГ текучесть жидкометаллических проводов и реакции обмена связями в полииминовой сети обеспечивают превосходную способность устройства к самовосстановлению ( 29 ). На рисунке 4A схематично показан процесс и механизм самовосстановления. После того, как жидкометаллическая проводка и полииминовая подложка разорваны (рис. 4A, вверху), разорванные границы раздела могут быть возвращены в контакт. Жидкометаллическая проводка сразу же восстанавливает электрическую проводимость благодаря своему жидкому поведению.Реакции обмена связями способствуют образованию новых ковалентных связей на границе раздела, что приводит к излеченному устройству ТЭГ, обладающему как механической прочностью, так и электрическими функциональными возможностями (рис. 4A, внизу). На рис. 4В и видеоролике S1 экспериментально демонстрируется этот процесс с использованием ТЭГ-устройства с двумя термоэлектрическими модулями. Когда жидкометаллическая проводка и полииминовая подложка разрываются, светодиод гаснет (вверху в центре). Приведение интерфейсов обратно в контакт приводит к немедленному восстановлению электропроводности в проводке жидкий металл, и снова загорается светодиод (внизу посередине).После 1,5-часового заживления при комнатной температуре на границе раздела образуется достаточное количество ковалентных связей, что приводит к механически прочному самовосстанавливающемуся ТЭГ, который можно сгибать, не влияя на выходную мощность (рис. 4B, справа). Изображения с оптического микроскопа на рис. S12 демонстрирует процесс заживления пореза полиимина с течением времени. Самовосстанавливающийся ТЭГ демонстрирует растяжимость, сравнимую с исходным устройством, поскольку его можно растянуть на 120%, не влияя на электрическое сопротивление (рис. 4C).

( A ) Схематическое изображение механизма самовосстановления. ( B ) Оптические изображения ТЭГ в тесте самовосстановления. Оригинальный ТЭГ является гибким и соединен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (слева). Когда жидкометаллическая электропроводка и полииминовая подложка обрываются, светодиод гаснет (вверху в середине). Когда две поверхности в поврежденном месте соприкасаются, жидкометаллическая электропроводка немедленно заживает, что приводит к включению светодиода (внизу посередине).Через 1,5 часа полииминовый субстрат полностью заживает и приобретает механическую прочность (справа). ( C ) Изменение относительного электрического сопротивления (Δ R / R ₀ ) самовосстанавливающегося ТЭГ в зависимости от степени растяжения. На вставке показаны оптические изображения самовосстанавливающегося ТЭГ во время испытания на растяжение. ( D ) Оптические изображения ТЭГ на разных этапах переработки. Новый ТЭГ соединен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (внизу слева). ( E ) Сравнение выработки электроэнергии старым ТЭГ и переработанным новым ТЭГ.( F ) Лего-подобная реконфигурация двух отдельных ТЭГ (устройства I и II) в новый функциональный ТЭГ (устройство III). Новый ТЭГ (устройство III) включен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (справа). ( G ) Сравнение выработки электроэнергии между ТЭГ I, II и III. Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Избыточные аминовые мономеры могут вызывать деполимеризацию полииминовых сеток в мономеры и олигомеры, растворимые в органических растворителях, что приводит к превосходной возможности повторного использования устройств на основе полиимина ( 29 ).На рис. 4D показан процесс рециркуляции ТЭГ-устройства. Старый ТЭГ пропитывают рециркулирующим раствором [3,3′-диамино- N -метилдипропиламин и трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] (вверху слева). Через 6 часов при комнатной температуре полииминовый субстрат полностью деполимеризуется на олигомеры и мономеры, растворимые в метаноле (вверху справа). Затем другие компоненты, включая термоэлектрические модули, проводники и жидкий металл, могут быть отделены от химического раствора (внизу справа).Рециркулированный раствор можно полностью повторно использовать для синтеза новой полииминовой пленки путем пропорционального добавления терефталевого альдегида и метанола. Новый функциональный ТЭГ может быть изготовлен с использованием всех компонентов, переработанных из старого ТЭГ (внизу слева). Как показано на рис. 4E, выходная мощность нового ТЭГ сравнима со старым ТЭГ.

Это устройство ТЭГ не только самовосстанавливающееся и пригодное для вторичной переработки, но и реконфигурируемое в стиле Lego благодаря конструкции SOM-RIP, сочетающей в себе динамический ковалентный термореактивный полиимин и проводку из жидкого металла.На рисунке 4F показана реконфигурация двух отдельных устройств ТЭГ (устройства I и II) в новое устройство ТЭГ (устройство III). Подобный Lego процесс реконфигурации начинается с отключения одной клеммы устройств I и II, чтобы обнажить жидкометаллическую проводку (рис. 4F, слева), с последующим приведением открытых клемм двух TEG в физический контакт. Затем нанесение и отверждение небольшого количества раствора полиимина [терефталевый альдегид + 3,3′-диамино- N -метилдипропиламин + трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] на стыке двух ТЭГ полностью излечивают поверхность раздела (Рис. .4F, средний). Новый ТЭГ полностью работоспособен (рис. 4F, справа). Этот процесс подробно схематично проиллюстрирован на рис. S13. Как показано на рис. 4G, выходная мощность устройства III равна сумме устройств I и II, что указывает на то, что процесс реконфигурации, подобный Lego, эффективен без снижения производительности. Обратите внимание, что во время этого процесса реконфигурации нет необходимости применять раствор полиимина, но требуется больше времени для образования достаточного количества ковалентных связей на стыке стыков.Возможность реконфигурации, подобная Lego, позволяет пользователям настраивать ТЭГ, используя модули, включенные последовательно или параллельно, для заданных форм-факторов, конструкции, выходного напряжения и мощности в зависимости от конкретных тепловых условий и выходной мощности термоэлектрических микросхем (рис. S14). Подобный Lego реконфигурируемый ТЭГ также может быть интегрирован в сенсорную систему на основе аналогичной самовосстанавливающейся подложки, чтобы сформировать автономную сенсорную систему с автономным питанием.

Улучшение характеристик ТЭГ на открытом воздухе с помощью пленки из метаматериала

Солнечное излучение, окружающее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на характеристики носимого ТЭГ во время активного отдыха (рис.5А, вверху). Энергетический баланс холодной стороны ТЭГ, которая подвергается воздействию окружающей среды, можно выразить как ( 38 ) Qsurf = Pnonrad + Prad − Pabs = hc (Tc − Tamb) + κBε¯emit (Tc4 − Ts4) −Psolarε¯abs (1) где Q _surf — полный тепловой поток на поверхности с холодной стороны на единицу площади, P _nonrad и P _rad — безызлучательная теплопередача и тепловой радиационный обмен на единицу площади. между поверхностью холодной стороны и окружающей средой, соответственно, P _abs — поглощенная мощность солнечного излучения на единицу площади, P _solar — мощность солнечного излучения на единицу площади, а ε¯emit и ε¯ abs — соответственно эффективная излучательная способность и эффективная поглощающая способность поверхности.Излучательная способность и поглощательная способность могут использоваться для оценки теплового излучения поверхности с холодной стороны и поглощения ею солнечного излучения, как показано в формуле. 1. На рис. 5В показаны измеренные зависящие от длины волны коэффициенты излучения / поглощения поверхности ТЭГ (голая поверхность). Поверхность ТЭГ без покрытия имеет сильное поглощение (> 0,87) в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм), что указывает на то, что поверхность может нагреваться солнечным излучением, что значительно ограничивает ее тепловыделение. Чтобы улучшить характеристики ТЭГ на открытом воздухе, необходимо изменить поверхность с холодной стороны так, чтобы она была избирательной по длине волны для более эффективного рассеивания тепла.Эта поверхность должна иметь две характеристики: (i) низкую поглощающую способность в солнечном спектре и (ii) высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне, особенно в окне пропускания атмосферы (от 8 до 13 мкм), что позволяет холодной стороне испускать инфракрасное излучение до Вселенная через атмосферу, а именно радиационное охлаждение неба ( 38 — 40 ). Поэтому в качестве покрытия на холодной стороне ТЭГ выбирается пленка из гибридного метаматериала из стеклополимера, которая может обеспечить обе характеристики (рис.5A, внизу), что дает эффективную поверхность с избирательной длиной волны. Как показано на рис. 5B, измеренная излучательная способность / поглощательная способность, зависящая от длины волны, для поверхности с избирательной длиной волны показывает гораздо более низкое поглощение, чем голая поверхность, в спектрах солнечного излучения (от 0,3 до 2,5 мкм) и сравнимую излучательную способность в окне пропускания атмосферы (от 8 до 2,5 мкм). 13 мкм). Детальный дизайн и изготовление метаматериала можно найти в нашей предыдущей работе ( 40 ).

( A ) Схематическое изображение процессов теплопередачи ТЭГ с оголенной поверхностью (вверху) и селективной по длине волны поверхностью (внизу) в дневное и ночное время. P _solar и P _атм — мощность солнечного излучения и мощность атмосферного излучения на поверхности, соответственно, P _рад — мощность теплового излучения от поверхности и P _nonrad — безызлучательный теплообмен (конвекция и теплопроводность) между поверхностью и окружающей средой.( B ) Измеренная поглощающая способность / излучательная способность оголенной поверхности и избирательной по длине волны поверхности от 300 нм до 25 мкм. Коэффициент поглощения / излучения атмосферы (серый блок) и плотность мощности спектрального солнечного излучения [желтый блок; воздушная масса (AM), 1,5]. И голая поверхность, и поверхность с избирательной длиной волны имеют сильное излучение от 8 до 13 мкм (атмосферное окно пропускания), что указывает на превосходные характеристики радиационного охлаждения. Голая поверхность имеет сильное поглощение во всем солнечном спектре (> 0.87) и других инфракрасных диапазонах (> 0,96), в то время как избирательная по длине волны поверхность имеет гораздо более слабое поглощение в солнечном спектре, чем в инфракрасном диапазоне. ( C ) Солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра, измеренные метеостанцией с 13:00 до 18:00 (9 ноября 2019 г., Боулдер, Колорадо, США). Общий поверхностный теплообмен ( D ), выходное напряжение ( E ) и выработка энергии ( F ) ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне с 13:00 до 18:00.

Чтобы количественно изучить влияние солнечного излучения и радиационного охлаждения на термоэлектрические характеристики, мы протестировали ТЭГ на открытом воздухе как с оголенной поверхностью, так и с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне в солнечный день, используя лабораторную установку (рис. S15). Измеренные солнечная освещенность, температура наружного воздуха и скорость ветра с 13:00 до 18:00 представлены на рис. 5C. Внезапное падение измеренной солнечной радиации в 15:18 связано с тем, что метеостанция была затенена соседним зданием, а устройства TEG были затенены зданием в 15:45.Теплообмен на двух типах поверхностей можно рассчитать на основе измеренных данных (примечание S3 и рис. S16). Как показано на рис. 5D, ТЭГ с оголенной поверхностью на холодной стороне имеет отрицательный теплообмен между 13:00 и 15:45, поскольку поглощение солнечной энергии на оголенной поверхности больше, чем полное рассеивание тепла за счет радиационной и безызлучательной теплопередачи. . Это приводит к тому, что выходное напряжение ТЭГ с оголенной поверхностью колеблется около нуля (рис. 5E), а выработка электроэнергии составляет всего лишь 1 нВт / см ² (рис.5F) до 15:45. Для ТЭГ с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне теплообмен остается стабильным как до, так и после того, как ТЭГ был затенен зданием, как показано на рис. 5D. Это приводит к значительному улучшению характеристик ТЭГ с выходным напряжением ~ 40 мВ / см ² (рис. 5E) и выходной мощностью ~ 10 нВт / см ² (рис. 5F) до 15:45 по сравнению с с ТЭГ с оголенной поверхностью на холодной стороне. После того, как ТЭГ-устройства были затенены зданием в 15:45, два ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне имеют одинаковые общие теплообменные и термоэлектрические характеристики из-за их одинакового высокого коэффициента излучения в окне пропускания атмосферы и отсутствие солнечного излучения.

ОБСУЖДЕНИЕ

В этой работе описывается высокопроизводительный носимый ТЭГ с превосходными возможностями растяжения, самовосстановления, повторного использования и реконфигурации, подобной Lego. Для достижения этих свойств благодаря новой механической архитектуре SOM-RIP интегрированы высокопроизводительные модульные термоэлектрические чипы, динамический ковалентный термореактивный полиимин в качестве подложки и инкапсуляции и текучий жидкий металл в качестве электропроводки. Этот ТЭГ может производить рекордно высокую плотность напряжения холостого хода 1 В / см ² при разнице температур 95 К среди гибких ТЭГ, что является многообещающим для сбора низкопотенциального тепла для питания Интернета вещей и носимой электроники.Эти особенности позволяют адаптировать ТЭГ к быстро меняющимся механическим и тепловым условиям и требованиям пользователя. Кроме того, селективная по длине волны пленка из метаматериала интегрирована на холодной стороне ТЭГ, чтобы одновременно максимизировать радиационное охлаждение и минимизировать поглощение солнечного излучения. Следовательно, термоэлектрические характеристики могут быть значительно улучшены под воздействием солнечного излучения, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха. Конструктивные концепции, подходы и свойства системы ТЭГ, описанные в этой работе, могут проложить путь к созданию высокопроизводительных, адаптируемых, настраиваемых, долговечных, экономичных и экологичных устройств сбора энергии следующего поколения с широким спектром применения.

Отметим также, что общая концепция дизайна этой работы масштабируется и адаптируется к другим термоэлектрическим материалам и методам изготовления, включая физическое осаждение из паровой фазы с рулона на рулон и методы печати ( 41 ). Можно дополнительно улучшить термоэлектрические характеристики переносного ТЭГ, улучшив процесс изготовления термоэлектрических пленок, приняв термоэлектрические пленки с лучшими термоэлектрическими свойствами ( 42 — 45 ) и используя традиционные термоэлектрические ножки с гораздо меньшими размерами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез материалов и изготовление устройств

Тонкопленочные термоэлектрические материалы были нанесены на полиимидную пленку (125 мкм; DuPont) с помощью термического испарителя. Целевыми материалами ветвей p-типа и ветвей n-типа для испарения были Bi _0,5 Sb _1,5 Te ₃ и Bi ₂ Te _2,8 Se _0,3 , соответственно, которые были приготовлены выплавка слитка Bi (99,999%; Alfa Aesar), слитка Sb (99.999%; Alfa Aesar), слиток Te (99,999%; Alfa Aesar) и слиток Se (99,999%; Alfa Aesar) в запаянных кварцевых трубках под вакуумом ниже 10 ^-3 Па с использованием муфельной печи (KSL-1100X-L) при 1073 К. в течение 5 часов. Затем нанесенные термоэлектрические пленки нагревали при 320 ° C в течение 26 мин в атмосфере аргона в трубчатой ​​печи (OTF-1200X). Тонкопленочные электроды Au-Ge наносили с помощью термического испарителя с использованием сплава Au ₈₈ Ge ₁₂ (99,99%; Kurt. J. Lesker) в качестве материала мишени. Полииминовый субстрат полимеризуется с использованием трех коммерческих соединений: терефталевого альдегида, 3,3′-диамино-, N -метилдипропиламина и трис (2-аминоэтил) амина.Смесь 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина (1,251 г, 8,61 ммоль) и трис (2-аминоэтил) амина (0,252 г, 1,72 ммоль) добавляли в центрифужную пробирку объемом 25 мл с завинчивающейся крышкой. с последующим добавлением метанола (20 мл) и терефталевого альдегида (1,5 г, 11,18 ммоль). Смесь перемешивали до тех пор, пока раствор не становился полупрозрачным и желтым, а затем раствор выливали в чашку Петри, покрытую полидиметилсилоксаном. Раствор отверждали испарительной сушкой в ​​вытяжном шкафу в течение не менее 72 часов при комнатной температуре.Рециркулирующий раствор представляет собой смесь 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина (1,251 г, 8,61 ммоль) и трис (2-аминоэтил) амина (0,252 г, 1,72 ммоль) в метаноле. Жидкий металл (смесь 75,5% галлия и 24,5% индия по весу) был смешан с 0,35% по весу частиц SiO ₂ (радиус 40 мкм) для повышения выхода трафаретной печати. Температура плавления жидкого металла составляет 15,3 ° C. В качестве альтернативы для более холодной окружающей среды можно использовать эвтектический галлий-индий-олово (галинстан) (68% Ga, 22% In и 10% Sn по весу) с температурой плавления -19 ° C.Устройство для лазерной резки (Epilog 36EXT Model 9000) использовали для подготовки всех масок и прорезей в полииминовых подложках. Селективная по длине волны пленка прикреплялась к холодной стороне ТЭГ с помощью чувствительной к давлению ленты.

Характеристики материалов

Толщина термоэлектрических пленок и пленки Au-Ge измерялась профилометром со щупом (Bruker DektakXT). Микрорельеф поверхности и состав анализировались с помощью сканирующего электронного микроскопа (Quanta 200 FEG и Hitachi SU3500), сопровождаемого энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией.Коэффициент Зеебека и удельное электрическое сопротивление были измерены четырехзондовым методом на системе одновременных измерений (ULVAC ZEM-3), а теплопроводность термоэлектрических пленок (рис. S17) была измерена методом термоотражения во временной области (). 46 ) на самодельной системе (таблица S1 и рис. S18 и S19). Изображения процесса самовосстановления в оптическом микроскопе были получены с использованием цифрового микроскопа со сверхглубокой резкостью (KEYENCE VHX-1000E).

Измерение выходной мощности ТЭГ

Характеристики ТЭГ внутри и вне помещений были проверены с помощью самодельных установок (рис.S6 и S15). Горячей стороной является нагревательный стол с регулируемой температурой. Холодная сторона представляет собой двухступенчатый охладитель (гидроохлаждение и охладитель Пельтье), который может точно контролировать температуру холодной стороны ТЭГ от 0 ° C до комнатной температуры. Термопары типа Т (диаметр проволоки 0,127 мм; OMEGA TT-T-36) использовались для проверки температур холодной и горячей стороны ТЭГ. Провода термопары фиксировались держателями рядом с тестируемыми позициями, и только оголенные концы термопар близко касались тестируемых позиций из-за эластичности проводов термопар, чтобы избежать дополнительных потерь тепла.Для фиксации термопар не использовались смазка, клей, лента или зажим. Комнатная температура измерялась термопарой типа Т, помещенной на воздухе рядом с ТЭГ. Все данные, включая температуру, напряжение и сопротивление, собирались многофункциональным устройством сбора данных (Keysight 34970A). Инфракрасные изображения были получены с помощью инфракрасной камеры (FLIR T630sc). Солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра были проверены метеостанцией рядом с ТЭГ.

Механические характеристики

Испытания на растяжение проводились на самодельном растягивающем оборудовании.Смоделированные контуры распределения деформации в ТЭГ были получены с использованием коммерческого программного обеспечения Abaqus. Проводящий слой AuGe был смоделирован как скин-слой на поверхности полиимидной пленки и термоэлектрических ветвей, а затем образован четырехузловыми элементами оболочки. Полиимидная пленка, термоэлектрические ветви p-типа и n-типа и полииминовая подложка моделировались с использованием восьмиузловых твердотельных элементов. Модули упругости AuGe, ветвей n-типа, ветвей p-типа, полиимидных пленок и полииминовой подложки составляли 69,2 ГПа, 52 ГПа, 46 ГПа, 2.5 ГПа и 2 МПа соответственно. Коэффициенты Пуассона для них составляли 0,32, 0,25, 0,25, 0,34 и 0,35 соответственно. Для моделирования условий эксперимента к модели отдельно применялись деформация 120% и радиус изгиба 3,5 мм.

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

1. ↵

   Д. М. Роу, Модули, системы и приложения в термоэлектрике (CRC Press, 2012).

2. ↵

5. М. Киши, Х. Немото, Т. Хамао, М. Ямамото, С. Судо, М.Мандаи, С. Ямамото, Микро-термоэлектрические модули и их применение в наручных часах в качестве источника энергии, в Восемнадцатая международная конференция по термоэлектричеству, Труды, ICT’99 (Каталожный номер 99TH8407) (IEEE, 1999), стр. 301– 307.

6. ↵
7. ↵
8. ↵
9. ↵
10. ↵
11. ↵
15. ↵
16. ↵
17. ↵
18. 1352 ↵
19. ↵
20. 1360
30. 960
32. 960
34. 960
35. ↵
40. ↵
41. ↵
42. ↵
43. ↵
44. ↵
46. ↵
47. ↵
48. ↵
9136 L.
49. M. Goncalves, C. Couto, JH Correia, P. Alpuim, G. Min, DM Rowe, Оптимизация термоэлектрических тонких пленок, нанесенных путем совместного испарения на пластиковые подложки, в Труды 4-й Европейской конференции по термоэлектричеству , Кардифф, Великобритания, 9–11 апреля 2006 г. (2006 г.).

50. ↵
51. ↵

Выражение признательности: Финансирование: Мы выражаем признательность за финансовую поддержку со стороны NSF, США (CMMI-1762324) и Национальной программы исследований и разработок Китая (2019YFA0705201).Д.З. благодарит за поддержку Фонд естественных наук провинции Цзянсу, Китай (BK20200373). Вклад авторов: W.R., Y.S., D.Z., L.Z., J.X. и R.Y. задумал и спроектировал эксперимент. W.R. и Y.S. изготовили ТЭГ и выполнили механическое испытание и испытание выходной мощности в помещении. W.R., Y.S., D.Z. и A.A. провели испытания ТЭГ на открытом воздухе. W.R., Y.S. и Jie Zhang измерили и охарактеризовали ТЕ-пленки, а также модифицированный жидкий металл и полиимин. С.З. выполнено моделирование методом конечных элементов.Ю.С. и C.S. изготовили полиимин. W.R., Jialun Zhang и H.G. разработали и изготовили мишени из материала TE. W.R., Y.S., D.Z., A.A., L.Z., J.X. и R.Y. проанализировали экспериментальные данные. W.R., Y.S., D.Z., L.Z., J.X. и R.Y. написал газету. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2021 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически созданного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.