Как добыть электричество из тепла без турбин
Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.
Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.
«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.
Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество
Георгий ГоловановМатериал нового типа, созданный австрийскими учеными, использует разницу температур для выработки электрического тока. Изобретение открывает дорогу к изготовлению энергонезависимых сенсоров и даже небольших процессоров.
32719
Термоэлектрические материалы превращают тепло в электроэнергию в результате эффекта Зеебека: если между двумя концами такого материала есть разница в температуре, возникает электрическое напряжение. Объем электрической энергии, которая вырабатывается таким образом, измеряется в показатели добротности, или ZT: чем он выше, тем лучше термоэлектрические свойства, пишет Phys.org.
«Хороший термоэлектрический материал должен в достаточной мере демонстрировать эффект Зеебека и отвечать двум важным требованиям, которые сложно примирить в одном материале, — объяснил профессор Эрнст Бауэр. — С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой — он должен проводить тепло как можно хуже. Это непросто, поскольку электро- и теплопроводность обычно идут рука об руку».
До сих пор наивысшим показателем ZT было значение около 2,5 — 2,8. Ученые из Технического университета Вены разработали совершенно новый материал с добротностью 5-6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия на кристалле кремния.
Новый материал оказался настолько эффективным, что его можно использовать для питания сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров, то есть он идеально подходит для устройств интернета вещей. Такая «батарейка» сделает их дешевле и компактнее, ведь дополнительных аккумуляторов или подвода питания не нужно — они сами будут генерировать достаточно электроэнергии за счет разницы температур.
Специалисты MIT решили проблему замены батареек в сенсорах на морском дне. Передатчик на поверхности посылает акустические волны, заставляя вибрировать пьезоэлектрический материал внутри сенсора. В результате колебаний возникает электрический ток, с помощью которого сенсор отражает модифицированный акустический сигнал обратно в приемник.
Facebook327Вконтакте19WhatsAppTelegram
Преобразование тепла в электричество полупроводниками
«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников — материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существовали последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются»
Открытие, опубликованное в журнале [1] Science Advances, может обеспечить более эффективную выработку электроэнергии из тепла, используя такие источники, как выхлопные газы автомобилей, сброс тепла в промышленных процессах и прочее.
«Благодаря этому открытию можно будет производить больше электрической энергии из тепла, чем это делается сегодня». «Это то, о чем до сих пор никто даже не думал, что это возможно».
Открытие основано на крошечных частицах, называемых парамагнонами — веществах, которые не совсем магниты, но сохраняют некоторые магнитные свойства. Это важно, потому что у магнитов при нагревании ослабевает магнитное поле, и они приобретают так называемые парамагнитные свойства.
Поток магнетизма — это то, что ученые называют «спинами», создающими тип энергии, называемой термоэлектричеством магнонного сопротивления, которое до этого открытия не предполагалось использовать для сбора энергии.
«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников — материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существовали последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются».
Магниты привлекают внимание в качестве средства сбора тепловой энергии, когда одна сторона магнита нагревается, другая сторона — более холодная — намагничивается, вызывая спиновое вращение, которое приводит в движение электроны, создающие электрический ток. В то же время, при нагреве магнитов, они теряют большую часть своих магнитных свойств, превращаясь в парамагнетики — «почти, но уже не совсем магниты».
Исследовательская группа тестировала парамагноны, чтобы выяснить, могут ли они в определенных обстоятельствах создавать необходимое спиновое вращение, чтобы привести в движение электроны. По их словам, они обнаружили, что парамагноны действительно могут поддерживать этот процесс. И это, по их словам, позволяет генерировать электричество из тепла.
Ссылки:
1. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aat9461
Источник: ScienceDaily
Тепло, электричество и холод от одного энергогенератора — Энергетика и промышленность России — № 18 (158) сентябрь 2010 года — WWW.EPRUSSIA.RU
Газета «Энергетика и промышленность России» | № 18 (158) сентябрь 2010 года
Комбинированная технология тройного действияВ общем случае, система тригенерации представляет собой систему комбинированного производства тепла и электроэнергии, соединенную с одним или несколькими холодильными агрегатами.
Тепловая часть тригенерационной установки в своей основе имеет парогенератор с рекуперацией тепла, питание которого осуществляется за счет использования выхлопных газов первичного двигателя. Первичный двигатель, соединенный с генератором переменного тока, обеспечивает производство электрической энергии. Для охлаждения используется периодически возникающий избыток тепла.
Холодильные агрегаты адсорбционного типа, используемые для кондиционирования помещений и создания требуемой температуры в помещении. В качестве рабочей жидкости в холодильных машинах такого типа используется вода (рабочая жидкость, охлажденная в адсорбционной машине, применяется не только в системе кондиционирования объекта, но и может расходоваться на технологические нужды).
Применение тригенерации
активно применяется в экономике, в частности в пищевой промышленности, где существует потребность в холодной воде для использования ее в технологических процессах. Например, в летний период пивоварни используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта. На животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока. Производители замороженной продукции круглогодично работают с низкими температурами.
Технология тригенерации дает возможность преобразовывать в холод до 80% тепловой мощности когенерационной установки, что значительно увеличивает суммарный КПД когенерационной установки и повышает коэффициент ее мощностных ресурсов.
Тригенерационная установка может быть использована круглогодично, вне зависимости от сезона. Утилизированное тепло при тригенерации эффективно используется зимой для отопления, летом для кондиционирования помещений и для технологических нужд.
Особенно эффективно применение тригенерации в летний период, при образовании избытка тепла, вырабатываемого мини-ТЭЦ. Избыточное тепло направляется в адсорбционную машину для выработки охлажденной воды, используемой в системе кондиционирования. Данная технология позволяет экономить энергию, которая обычно потребляется системой принудительного охлаждения. В зимний период адсорбционная машина может быть отключена, если отсутствует необходимость в большом количестве охлажденной воды.
Таким образом, тригенерационная система позволяет на 100% использовать тепло, вырабатываемое мини-ТЭЦ.
Энергетическая эффективность и высокая экономичность
Оптимизация потребления энергии — важная задача, не только с точки зрения экономии энергоресурсов, но и с точки зрения экологии. На сегодняшний день энергосбережение является одной из наиболее актуальных проблем во всем мире. При этом большинство современных технологий производства тепла приводят к высокой степени загрязнения атмосферы.
Тригенерация, при которой происходит комбинированное производство электрической, тепловой и холодильной энергии, является сегодня одной из наиболее эффективных технологий повышения энергетической эффективности и экологической безопасности мини-ТЭЦ.
Экономия энергоресурсов при использовании тригенерационных технологий достигает 60%.
Плюсы и минусы
По сравнению с традиционными технологиями охлаждения тригенерационная система имеет следующие преимущества:
- Тепло является источником энергии, что позволяет использовать избыточную тепловую энергию, которая обладает очень низкой себестоимостью;
- Произведенная электрическая энергия может быть подана в общую электросеть или использоваться для обеспечения собственных нужд;
- Тепло может быть использовано для обеспечения потребностей в тепловой энергии во время отопительного сезона;
- Требуют минимальных расходов на техобслуживание в связи с отсутствием в адсорбционных холодильных установках подвижных деталей, которые могли бы подвергаться износу;
- Бесшумная работа адсорбционной системы;
- Низкие эксплуатационные расходы и низкие затраты в течение всего срока службы;
- В качестве хладагента используется вода вместо веществ, разрушающих озоновый слой.
Адсорбционная система проста и надежна в использовании. Энергопотребление адсорбционной машины невелико, поскольку нет жидкостного насоса.
Однако у такой системы имеется и ряд недостатков: большие габариты и вес, а также относительно высокая стоимость, связанная с тем, что на сегодняшний день выпуском адсорбционных машин занимается ограниченное число производителей.
«ЭЛСО Энергогазмонтаж» — инновационные решения в области энергоснабжения
«ЭЛСО Энергогазмонтаж» (ЭГМ) предлагает комплексные решения энергосбережения, разрабатывает стратегии энергообеспечения объекта на самых ранних этапах осуществления инвестиционных проектов.
«ЭЛСО ЭГМ» — проектно-монтажная компания теплотехнического холдинга «ЭЛСО группа», занимается энергоснабжением промышленных и социальных объектов, осуществляет весь комплекс работ — от проектирования до введения объектов в эксплуатацию.
Компания «ЭЛСО ЭГМ» предлагает оптимальные современные решения, активно внедряя проверенные новые технологии. Специалисты «ЭЛСО ЭГМ» имеют значительный опыт внедрения инновационных решений с использованием когенерационных и тригенерационных технологий.
Высокий профессионализм инженерного состава и разработка уникальных проектных решений позволяют специалистам компании решать задачи любой сложности по теплоснабжению любых объектов.
По вопросам проектирования и монтажа тригенерационных теплоэлектростанций обращайтесь в компанию по телефону: (812) 329-55-22 или электронной почте
Ученые придумали, как преобразовывать отработанное тепло в электричество
Сегодня при получении электричества из ископаемого топлива теряется больше 65% энергии. Если появится технология, которая будет улавливать это тепло и преобразовывать из него электричество, то это поможет в сохранении окружающей среды.
Чтобы решить проблему потери тепла и потенциальной энергии, ученые из Северо-Западного университета создали перспективный термоэлектрический материал в виде монокристаллического соединения селенида олова (SnSe). Проблемой оставалась высокая хрупкость монокристаллической формы соединения, что затрудняло практическое использование находки. При этом более устойчивая и пластичная поликристаллическая форма соединения оказалась недостаточно подходящей для термоэлектрического преобразования. В поликристаллическом виде селенид олова обладает высокой теплопроводностью. Это нивелирует уникальные термоэлектрические характеристики материала.
В итоге, ученые нашли проблему — оказалось, что она заключалась в образовании оксидной плёнки на поверхности соединения. Чтобы решить ее, эксперты испытали технический процесс, при котором ученые исключили кислород из цепочки химических реакций. В итоге исследователи получили селенид олова в поликристаллической форме был получен без примесей оксидов.
Эффективность преобразования отработанного тепла в «чистом» поликристаллическом соединении селенида олова составила примерно 3,1 ZT при температуре 783 К (510 °C).
Авторы исследования отмечают, что производство нового материала можно запустить без каких-либо трудностей.
Читать далее
Замедление вращения Земли вызвало выброс кислорода на планете
На Большом адронном коллайдере открыли новую частицу
Ученые нашли самый древний пример прикладной геометрии
Новый механизм преобразования солнечного света и тепла в электричество
Николас Мелош, исследователь Стэнфордского Университета продемонстрировал новый механизм преобразования солнечного света и тепла в электричество с помощью разработанного им устройства.
Устройство нового типа, использующее одновременно энергию света и тепловую энергию, обещает новые возможности в преобразовании энергии Солнца в электричество.
Принцип действия нового прибора основан на физических явлениях открытых учеными Стэнфорда. В прототипе нового преобразователя солнечный свет возбуждает электроны в специальном электроде, а избыточное тепло перебрасывает эти электроны на другой электрод в вакууме, создавая электрический ток. По задумке ученых, неиспользованная тепловая энергия будет использована для нагрева теплоносителя парового двигателя. Такая конструкция позволит преобразовывать рекордные 50% энергии солнечного света в электричество. На сегодня, теоретический предел фотоэлектрических элементов едва дотягивает до 29% КПД преобразования, а лучшие серийные образцы показывают 22%.
Обычные же солнечные батареи из кристаллического кремния эффективны лишь на 15%. Большая часть всей солнечной энергии теряется в виде тепла. Это происходит потому, что такая солнечная ячейка использует лишь часть светового спектра, фотоны же ниже определенного энергетического уровня просто разогревают пластину.
Один из способов использовать большую часть светового потока – это создание многослойных структур, каждый слой которых воспринимает свою часть спектра, тем самым увеличивая общую эффективность преобразования до 40% (сегодня это 35,8%). Недостаток этой технологии – очень высокая стоимость и сложность производства.
В поисках нового метода преобразования солнечного света и тепла в электричество Николас Мелош обратил внимание на высокоэффективную комбинацию паровой турбины и парового двигателя, который использует побочное тепло. Но термальная энергия плохо комбинируются с фотоэлектрическими элементами, так как увеличение температуры приводит к увеличению эффективности теплового преобразователя, но сильно снижает КПД кремниевой пластины.
Идея использования разогретого электрода для получения электроэнергии в вакууме не нова. Подобные конверторы (thermionic energy converter) использовались российскими спутниками, но не нашли применения на земле, так как для эффективной работы требовалась очень высокая температура, около 1500 С. Катод этих термических преобразователей обычно создавался с использованием цезия.
Группа ученых под руководством Мелоша заменила катод из цезия на «сэндвич» из полупроводникового материала, который мог использовать как световую, так и тепловую энергию для преобразования. Когда свет попадал на катод, он начинал работать как обычный фотоэлектрический элемент из кристаллического кремния, чего не происходило в катодах, выполненных из металла в прошлом. Далее не требовалось большого количества тепла, чтобы перевозбужденные электроны начинали перепрыгивать на анод. Таким образом, новая система позволяла эффективно работать при более низких температурах, чем в классическом теплоэлектронном преобразователе, но при более высоких температурах, чем обычная фотоэлектрическая пластина.
Ученые назвали новый механизм PETE — photon-enhanced thermionic emission, или теплоэлектронный преобразователь, улучшенный фотонами.
Прототип устройства был описан в журнале Nature Materials. Использование нитрида галлия в качестве полупроводникового катода, позволило получить впечатляющий коэффициент полезного действия около 25% при температуре 200 С, температуре, при которой обычный фотоэлектрический элемент вообще перестает работать, в новом преобразователе КПД продолжал расти с увеличением температуры.
Сейчас ученые Стэнфорда продолжают экспериментировать с более подходящими материалами для создания более качественного катода, включая кремний и арсенид галлия. Следующий прототип должен будет работать при температурах 400-600 С, а для создания достаточной температуры и солнечного потока ученые используют солнечные концентраторы, которые сфокусируют плотный поток световой энергии на катод устройства.
Не смотря на высокий КПД, фотонный теплоэлектронный преобразователь будет выделять больше тепла, чем он сможет использовать, поэтому Мелош и предлагает использовать избыточное тепло для генерирования электричества с помощью паровой машины, подняв совокупный КПД системы до 50%.
Ученый надеется, что в течение трех лет его изобретения будет доведено до готовности внедрения в массовое производство.
полный каталог компьютеров и комплектующих, цены, отзывы, характеристики
Разработка российских учёных позволит преобразовывать тепло тела человека в электричество
Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).
Использовать как источник тепла можно различные источники. А вот отечественные учёные решили найти решение вопроса по преобразованию тепловой энергии тела человека. НА сегодняшний день, это самый дешевый способ получения электроэнергии подобным способом
На сайте НИТУ «МИСиС» вместе с международным научным коллективом нашли способ преобразования энергии с помощью электрохимической ячейки на углеродной ткани. Используемые материалы и принесли основную выгоду в экономическом преимуществе нового способа. Обычно, для подобных устройств использовались углеродные нанотрубки, цена которых всё ещё очень высока. В новой ячейке применили в качестве электродов углеродную ткань с модифицированной поверхностью.
Источник изображения: НИТУ «МИСиС»
Не нужно путать термоячейки с термоэлементами Пельтье. Работа термоячейки основана на на эффекте Зеебека и создают течение электрического тока при разности температур, а элементы Пельтье переносят энергию при прохождении электрического тока — создают разность температур. Возможности термоячейки доходят до съёма температур около 100 °С. Именно они могут стать тем самым помощником для преобразования тепла человеческого тела для питания носимой электроники. И вот тут и появляются огромные перспективы.
Российские физики предложили устройство термоячейки с использованием углеродной ткани в качестве электродов с покрытием из титана и оксида титана, а заполнением ячейки будет жидкий электролит на основе ферри- и ферроцианида калия. Такая конструкция ячейки при воздействии тепла образует восстановительно-окислительные реакции, которые и вырабатывают электроэнергию.
Источник изображения: НИТУ «МИСиС»
Если сравнить новый тип ячейки с «классической» ячейкой, у которой используется солевой мостик в корпусе типа монетной ячейки. Новая ячейка показала увеличение производительности до 25,2 мВт/м2, и КПД в 1,37 %. Учитывая рекорд КПД в этой сфере в 3%, такой результат – очень хороший. Рекордный КПД был получен с использованием нанотрубок и частицы платины, что делает такие ячейки невозможными в широком использовании. Теперь, работа нацелена на увеличение эффективности новых ячеек.
исследователей нашли новый способ преобразования отработанного тепла в электричество для питания небольших устройств
Эта диаграмма показывает исследователям, как существует электрическая энергия в образце Fe3Ga. Кредит: © 2020 Sakai et al
Тонкий генератор на основе железа использует отходящее тепло для выработки небольшого количества энергии.
Исследователи нашли способ преобразовать тепловую энергию в электричество с помощью нетоксичного материала. Материалом в основном является железо, которое чрезвычайно дешево, учитывая его относительное количество.Генератор на основе этого материала может питать небольшие устройства, такие как удаленные датчики или носимые устройства. Материал может быть тонким, поэтому ему можно придать различные формы.
Не бывает бесплатного обеда или бесплатной энергии. Но если ваши потребности в энергии достаточно низки, например, в случае небольшого датчика какого-либо типа, то есть способ использовать тепловую энергию для обеспечения вашего питания без проводов или батарей. Научный сотрудник Акито Сакаи и члены группы из его лаборатории Института физики твердого тела и факультета физики Токийского университета под руководством профессора Сатору Накацудзи и из Департамента прикладной физики под руководством профессора Риотаро Арита предприняли шаги в этом направлении. goal с их инновационным термоэлектрическим материалом на основе железа.
Термоэлектрические устройства, основанные на аномальном эффекте Нернста (слева) и эффекте Зеебека (справа). (V) представляет направление тока, (T) градиент температуры и (M) магнитное поле. Кредит: © 2020 Sakai et al
«До сих пор все исследования термоэлектрической генерации были сосредоточены на установленном, но ограниченном эффекте Зеебека», — сказал Накацудзи. «Напротив, мы сосредоточились на относительно менее известном явлении, называемом аномальным эффектом Нернста (АНЭ)».
ANE создает напряжение, перпендикулярное направлению температурного градиента на поверхности подходящего материала.Это явление может помочь упростить конструкцию термоэлектрических генераторов и повысить их эффективность преобразования, если подходящие материалы станут более доступными.
Диаграмма, показывающая узловую сетевую структуру, ответственную за аномальный эффект Нернста. Кредит: © 2020 Sakai et al
«Мы сделали материал, состоящий на 75 процентов из железа и на 25 процентов из алюминия (Fe3Al) или галлия (Fe3Ga), с помощью процесса, называемого легированием», — сказал Сакаи. «Это значительно повысило ANE. Мы увидели 20-кратный скачок напряжения по сравнению с нелегированными образцами, что было захватывающе.”
Это не первый раз, когда команда демонстрирует ANE, но в предыдущих экспериментах использовались материалы, менее доступные и более дорогие, чем железо. Привлекательность этого устройства отчасти заключается в его дешевизне и нетоксичности, но также в том, что оно может быть изготовлено в виде тонкой пленки, чтобы его можно было формовать для различных применений.
«Тонкие и гибкие конструкции, которые мы теперь можем создавать, могут собирать энергию более эффективно, чем генераторы, основанные на эффекте Зеебека», — пояснил Сакаи.«Я надеюсь, что наше открытие может привести к созданию термоэлектрических технологий для питания носимых устройств, удаленных датчиков в труднодоступных местах, где использование батарей нецелесообразно, и многого другого».
До недавнего времени такое развитие материаловедения в основном происходило в результате повторяющихся итераций и уточнений в экспериментах, которые требовали много времени и были дороги. Но команда в значительной степени полагалась на вычислительные методы для численных расчетов, эффективно сокращая время между первоначальной идеей и доказательством успеха.
«Численные расчеты внесли большой вклад в наше открытие; например, высокоскоростные автоматические вычисления помогли нам найти подходящие материалы для испытаний », — сказал Накацудзи. «И расчеты из первых принципов, основанные на квантовой механике, сокращают процесс анализа электронных структур, которые мы называем узловыми паутинами, которые имеют решающее значение для наших экспериментов».
«До сих пор такой вид численных расчетов был чрезмерно трудным», — сказал Арита. «Мы надеемся, что не только наши материалы, но и наши вычислительные методы могут быть полезными инструментами и для других.Мы все стремимся когда-нибудь увидеть устройства, основанные на нашем открытии ».
###
Ссылка: «Бинарные ферромагнетики на основе железа для поперечного термоэлектрического преобразования» Акито Сакаи, Сусуму Минами, Такаши Корецунэ, Тайши Чен, Томоя Хиго, Янмин Ван, Такуя Номото, Мотоаки Хираяма, Синдзи Мива, Дайсуке Нишио-Хаманеи, Фумий Фумий Рётаро Арита и Сатору Накацудзи, 27 апреля 2020 г., Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z
Эта работа частично поддержана CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Японским агентством науки и технологий, грантами на научные исследования в инновационных областях (JP15H05882 и JP15H05883) Министерства образования, культуры и спорта, Наука и технологии Японии, а также грантами на научные исследования (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) Японского общества содействия науке (JSPS).Работа по расчету из первых принципов была частично поддержана JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovation Area (JP18H04481 и JP19H05825) и MEXT как приоритетный социальный и научный вопрос (Создание новых функциональных устройств и высокопроизводительных материалов). для поддержки отраслей следующего поколения), с которой можно будет справиться с помощью компьютера post-K (hp180206 и hp1
).
ученых нашли лучший способ превратить тепло в электричество, изменив стандартное правило
Инженеры обычно рассматривают тепло как «пустую энергию», поскольку ее трудно эффективно превратить во что-то полезное.Однако новый класс термоэлектрических материалов может изменить это после того, как исследователи решили попробовать прямо противоположный обычному подходу. Статья в Science Advances объясняет почему, ускоряя поиск еще лучших версий.
Как следует из названия, термоэлектрические материалы превращают тепло в электричество, минуя стадию кипения воды, которая используется в большинстве массовых производств электроэнергии. Однако из-за стоимости и неэффективности термоэлектрические генераторы ограничиваются нишевыми приложениями, такими как питание космических кораблей, таких как марсоход Mars Perseverance, где легкое и надежное производство энергии имеет большее значение, чем цена.
Термоэлектрические материалы слишком дороги и загрязняют окружающую среду для более широкого использования, но новые версии, заменяющие более тяжелые элементы на магний, могут изменить это, открывая дверь к еще лучшим вариантам, которые могут найти широкое применение.
Термоэлектрические материалы работают за счет создания тока между горячей и холодной сторонами. К сожалению, если материал проводит что-то вроде тепла, а также проводит электричество, температуры выравниваются, перекрывая ток. Таким образом, материалы должны быть теплоизолирующими, что чаще ассоциируется с тяжелыми металлами, чем с легкими, поэтому ученые, работающие в этой области, сосредоточились на более крупных атомах.
Когда другие ученые попробовали материалы на основе магния, на всякий случай, они были удивлены, обнаружив, что они работают на удивление хорошо.
Д-р Оливье Делэр из Университета Дьюка подтвердил, что эти материалы: Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2, работают в три раза так же, как кальций и иттербий, элементы с большим количеством протонов и аналогичными химическими свойствами, которые может также объяснить неожиданное явление.
Магний также имеет довольно значительное преимущество: он дешев, содержится в большом количестве и относительно не загрязняет окружающую среду.Хотя он разделяет эти свойства с кальцием, это не относится к другим испытанным материалам.
«В основе традиционных термоэлектрических материалов лежат тяжелые элементы, такие как свинец, висмут и теллур — элементы, которые не очень экологичны, и их также не так много», — говорится в заявлении Делера. имеют чрезвычайно низкую термоэлектрическую проводимость, несмотря на низкую массовую плотность ». Более того, хотя высокотемпературные термоэлектрические эффекты являются обычным явлением, Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2 хорошо работают при температуре, близкой к комнатной.
Тем не менее, Делер не думает, что именно эти материалы станут будущим термоэлектрической генерации. Сурьма и висмут не особенно распространены, а производство сурьмы весьма загрязняет окружающую среду. Однако так же, как большинство фармацевтических препаратов являются модификациями многообещающей, но несовершенной молекулы, Делер надеется, что два изученных до сих пор материала на основе магния, которые относятся к классу, известному как Zintls, откроют дверь для лучших версий.
«В химических исследованиях изучение возможностей новых материалов часто включает замену одного элемента на другой, просто чтобы посмотреть, что происходит», — сказал первый автор Цзинсюань Дин.«Обычно мы заменяем их химически подобными элементами в периодической таблице, и одно из больших преимуществ использования Zintls заключается в том, что мы можем экспериментировать с множеством различных элементов и различных комбинаций».
Хотя это можно сделать методом проб и ошибок, Динг и Делер надеются сократить процесс, выяснив, почему магний так хорошо действует. Они узнали, что связь магния препятствует передаче тепла. В его присутствии тепловые волны, которые переносят колебания от теплой стороны материала к более холодной, мешают друг другу, а не движутся чисто.
На этой неделе в IFLScience
Еженедельно получайте наши крупнейшие научные новости на свой почтовый ящик!
Новый сплав превращает тепло напрямую в электричество — Electric Choice
Исследователи из Университета Миннесоты успешно изготовили новый сплав под названием Ni45Co5Mn40Sn10, который преобразует тепло в электричество. Сплав состоит из мультиферроидных композитов, таких как никель, кобальт, марганец и олово.Мультиферроидные металлы обладают редкими, уникальными магнитными и электрическими свойствами, проявляя более одного ферроидного свойства в одной фазе преобразования.
Ni45Co5Mn40Sn10 в стабильном, нетронутом состоянии представляет собой немагнитный материал, который становится сильно магнитным при воздействии высокой температуры. На видео ниже исследователи из Университета Миннесоты показывают, как Ni45Co5Mn40Sn10 сначала представляет собой немагнитный материал, а затем внезапно становится сильно магнитным по мере нагрева металла. Когда это происходит, он перепрыгивает на постоянный магнит.Это представляет собой прямое преобразование тепла в кинетическую энергию. Когда этот металл становится сильно магнитным, он вводит электричество в прикрепленную катушку. По словам исследователей из Университета Миннесоты, «этот процесс включает поглощение тепла, вызванное быстрыми преобразованиями между твердыми состояниями, которые, в свою очередь, производят электричество. Он способен преобразовывать отходящее тепло, выделяемое из выхлопных труб автомобилей или кондиционеров, непосредственно в электричество. Нажмите ниже, чтобы увидеть этот сплав в действии.
Новый сплав превращает тепло в электричество
Ni45Co5Mn40Sn10 преодолел свое первое препятствие в лаборатории, сведя к минимуму процесс гистерезиса, который представляет собой потерю тепловой энергии при ее преобразовании в электричество. Минимизируя потери тепла, ученые Университета Миннесоты смогли улавливать и сохранять тепловую энергию этого процесса; доказывая, что ненужная энергия может быть преобразована в электричество. По словам Ричарда Джеймса, главы исследовательской группы и профессора аэрокосмической техники и механики в UM.«Это исследование очень многообещающее, потому что оно представляет собой совершенно новый метод преобразования энергии, который раньше никогда не применялся». Он добавил: «Это также самый« зеленый »способ производства электричества, поскольку он использует отработанное тепло для производства электричества без углекислого газа».
Сегодня более половины мировой энергии производится за счет ископаемого топлива, и при этом теряется много тепловой энергии. Достижение низкого гистерезиса предполагает высокую эффективность при использовании этого нового сплава, что делает его практичным для многих приложений.Очевидным применением будет установка в выхлопных трубах транспортных средств и механизмов. Многие автопроизводители по всему миру уже работают над устройствами, которые могут преобразовывать горячий выхлоп автомобиля в полезную электроэнергию. Материал также может использоваться на электростанциях с когенерационными платформами, которые предназначены для комбинированной теплоэнергетики или даже в качестве генератора геотермальной энергии. Геотермальная энергия присутствует при очень низкой температуре и требует огромного количества энергии для преобразования пара в электричество.Этот сплав потенциально может способствовать использованию геотермальной энергии, что делает его эффективным и удобным источником для крупномасштабных операций.
Следующим шагом будет проведение обширных исследований и разработок для изучения практических применений, эффективных производственных возможностей, ограничений свойств сплава и производительности этой новой системы преобразования энергии. Кроме того, мы надеемся, что они придумают более короткое название, пока они это делают.
Дешевые материалы могут помочь преобразовать отработанное тепло в электричество
Предоставлено: Pixabay.Дешевый и легкодоступный поликристаллический материал может, наконец, открыть дверь для коммерческих термоэлектрических генераторов, преобразующих отработанное тепло в электричество. Однако необходимо решить другие проблемы, прежде чем вы сможете запустить двигатель и выхлопную трубу вашего автомобиля.
Люди производят много отходов, и энергия не исключение
Когда электростанция сжигает уголь или автомобиль с двигателем внутреннего сгорания воспламеняет бензин, большая часть химической энергии топлива не преобразуется в полезную электроэнергию или работу — она превращается в тепло.Например, типичная американская электростанция преобразует только 30% энергии угля в чистую электроэнергию. И в известном смысле ваша машина — это, прежде всего, печь на колесах.
Неудивительно, что ученые стремились минимизировать эту огромную потерю тепла в меру своих возможностей. Часть этой энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую, может быть использована, например, для отопления в холодное время года. В качестве альтернативы, отработанное тепло можно использовать для совместного производства электроэнергии на электростанции путем нагрева воды для производства пара, вращающего турбины.Но в идеале вы захотите напрямую преобразовать тепло (нескоординированное движение частиц в материале) в более универсальное электричество (управляемую волну движения электронов). Именно здесь на помощь приходит термоэлектричество.
Термоэлектрический эффект возникает, когда у вас есть два разных полупроводника, зажатых между металлическими пластинами, и одна сторона горячая, а другая холодная. Термоэлектрический генератор может собирать энергию из этой разницы температур и превращать ее в электричество.
Космический корабль «Вояджер», который, как полагают, вышел за пределы Солнечной системы после того, как он посетил самые удаленные планеты в 1970-х годах, до сих пор питается от термоэлектрических устройств, которые вырабатывают электричество из тепла, производимого плутониевым ядерным реактором. Эта же энергия питает марсоходы Curiosity и Perseverance, которыми управляет НАСА на Марсе.
Этот процесс также работает в обратном порядке. При подаче электричества один полупроводник нагревается, а другой остается холодным.Таким образом, холодная сторона может работать как охладитель или холодильник.
Проблема в том, что эти термоэлектрические генераторы либо крайне неэффективны, либо дороги, что позволило использовать их в очень узких областях, таких как аэрокосмическая промышленность. Кроме того, используемые материалы обычно содержат токсичные элементы.
Когда два материала с разной температурой находятся в контакте или достаточно близко друг к другу, они в конечном итоге достигают одинаковой температуры. Когда это происходит, термоэлектрический эффект больше не возникает.Создание полупроводников с плохой теплопроводностью, но, тем не менее, с электричеством — нетривиальная инженерная задача. Это делает недавние разработки физиков из Сеульского национального университета и Северо-Западного университета еще более захватывающими.
Все началось в 2016 году, когда группа исследователей из Northwestern во главе с материаловедом Меркури Канатзидисом изобрела термоэлектрический генератор с использованием порошков олова и селена, двух легко доступных и дешевых материалов. Порошки были переработаны в зерна поликристаллического селенида олова, которые можно прессовать в тонкие слитки длиной не более 3 сантиметров, что делает их идеальными для устройств.
Канатзидис ожидал, что границы между зернами замедлят теплопередачу. Однако, когда исследователи протестировали материал, они обнаружили, что теплопроводность была чрезвычайно высокой, что делало термоэлектрический генератор очень плохим.
В конце концов они обнаружили проблему: вокруг поликристаллических зерен образовалась ультратонкая пленка оксида олова, прежде чем они смогли спрессоваться в слитки. Эта пленка позволяет очень быстро передавать тепло от зерна к зерну.
В своем новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature Materials , Канатзидис и его коллеги представили новый метод, который удаляет весь кислород из предшественников олова и селена, оставляя после себя только чистый поликристаллический селенид олова.
Метод оказался успешным, повысив термоэлектрический КПД поликристаллического материала почти в три раза. Однако для полностью работающего термоэлектрического устройства потребуются дополнительные инновации.
Материал селенида олова проводит только положительные заряды.Для замыкания цепи вам также понадобится антагонист n-типа, который проводит отрицательные заряды. К счастью, монокристаллический аналог селенида олова n-типа был недавно продемонстрирован китайскими учеными из Бейханского университета.
Если эти два показателя совпадают, то коммерческое применение термоэлектрических генераторов в широком масштабе может быть не за горами.
Преобразование тепла в электричество с помощью карандаша и бумаги — ScienceDaily
В термоэлектрическом эффекте нет ничего нового — он был открыт почти 200 лет назад Томасом Дж.Зеебек. Если соединить два разных металла вместе, то может возникнуть электрическое напряжение, если один металл теплее другого. Этот эффект позволяет частично преобразовать остаточное тепло в электрическую энергию. Остаточное тепло является побочным продуктом почти всех технологических и естественных процессов, например, на электростанциях и во всех бытовых приборах, а также в организме человека. Это один из крупнейших недоиспользуемых источников энергии в мире, который обычно полностью не используется.
Крошечный эффект
К сожалению, какой бы полезный эффект ни был, в обычных металлах он чрезвычайно мал.Это связано с тем, что металлы обладают не только высокой электропроводностью, но и высокой теплопроводностью, поэтому разница температур сразу исчезает. Термоэлектрические материалы должны иметь низкую теплопроводность, несмотря на их высокую электропроводность. Термоэлектрические устройства, изготовленные из неорганических полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута, уже сегодня используются в определенных технологических приложениях. Однако такие системы материалов дороги, и их использование окупается только в определенных ситуациях.Например, гибкие нетоксичные органические материалы на основе углеродных наноструктур также исследуются для использования в организме человека.
Карандаш HB и сополимерный лак
Группа под руководством профессора Норберта Никеля из HZB показала, что эффект можно получить гораздо проще: с помощью обычного карандаша класса HB они покрыли карандашом небольшой участок на обычной фотокопировальной бумаге. В качестве второго материала они нанесли на поверхность прозрачную проводящую сополимерную краску (PEDOT: PSS).
Выясняется, что карандашные следы на бумаге дают напряжение, сравнимое с другими гораздо более дорогими нанокомпозитами, которые в настоящее время используются для гибких термоэлектрических элементов. И это напряжение можно было увеличить в десять раз, добавив в графит из карандаша немного селенида индия.
Объяснение плохого теплопереноса
Исследователи исследовали покрывающие пленки из графита и сополимера с помощью сканирующего электронного микроскопа и спектроскопических методов (комбинационное рассеяние) в HZB.«Результаты были очень неожиданными для нас», — объясняет Никель. «Но теперь мы нашли объяснение того, почему это работает так хорошо: карандашный налет, оставшийся на бумаге, образует поверхность, характеризующуюся неупорядоченными чешуйками графита, некоторым количеством графена и глины. менее эффективно «.
Outlook: гибкие компоненты, напечатанные прямо на бумаге
Эти простые компоненты могут быть использованы в будущем для печати термоэлектрических компонентов на бумаге, которая будет чрезвычайно недорогой, экологически чистой и нетоксичной.Такие крошечные и гибкие компоненты также можно использовать непосредственно на теле и использовать тепло тела для управления небольшими устройствами или датчиками.
История Источник:
Материалы предоставлены Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Разработан самый эффективный термоэлектрический материал в мире
Приблизительно 90 процентов электроэнергии в мире вырабатывается за счет тепловой энергии.К сожалению, системы производства электроэнергии работают с КПД от 30 до 40 процентов, что означает, что около двух третей потребляемой энергии теряется в виде отработанного тепла. Несмотря на это, неэффективность существующих термоэлектрических материалов, которые могут преобразовывать отработанное тепло в электричество, означает, что их коммерческое использование ограничено. Теперь исследователи разработали термоэлектрический материал, который, по их утверждениям, является лучшим в мире для преобразования отработанного тепла в электричество, потенциально обеспечивая практический способ улавливать часть энергии, которая в настоящее время теряется.
Новый материал на основе обычного теллурида полупроводников является экологически устойчивым и, как ожидается, преобразует от 15 до 20 процентов отходящего тепла в электричество. Исследовательская группа, состоящая из химиков, материаловедов и инженеров-механиков из Северо-Западного университета и Университета штата Мичиган, говорит, что материал демонстрирует термоэлектрическую добротность (или «ZT») 2,2, что, по их утверждениям, является самым высоким показателем на сегодняшний день.
Чем выше ZT материала, тем эффективнее он преобразует тепло в электричество.Хотя теоретического верхнего предела ZT нет, ни один из известных материалов не демонстрирует ZT выше 3. Исследователи полагают, что с ZT, равным 2,2, новый материал достаточно эффективен для использования в практических приложениях и может привести к более широкому распространению термоэлектриков. промышленность.
«Наша система является самой эффективной термоэлектрической системой при любой температуре», — сказал Меркури Г. Канатзидис, руководивший исследованием. «Материал может преобразовывать тепло в электричество с максимально возможной эффективностью.На этом уровне есть реальные перспективы рекуперации высокотемпературного отходящего тепла и превращения его в полезную энергию ».
Учитывая огромный потенциал термоэлектриков в плане рекуперации части тепловой энергии, которая в настоящее время теряется, они были в центре внимания многих исследования, которые показали, что они значительно улучшились в последние годы. Настолько, что марсоход Curiosity оснащен свинцовыми термоэлектриками из теллурида, хотя его система имеет только ZT 1. BMW также тестирует системы для сбора тепла из выхлопных систем и двигателей внутреннего сгорания. своих машин.
Помимо улавливания части потерь тепла, выделяемого через выхлопную трубу транспортного средства, новый материал может использоваться в отраслях тяжелой промышленности, включая производство стекла и кирпича, нефтеперерабатывающие заводы, угольные и газовые электростанции, а также на крупных судах. и танкеры, где постоянно работают большие двигатели внутреннего сгорания. Такие применения считаются идеальными, поскольку температуры отходящего тепла в этих областях могут варьироваться от 400 до 600 градусов по Цельсию (от 750 до 1100 градусов по Фаренгейту), что является оптимальным вариантом для использования термоэлектриков.
Статья команды, описывающая разработку нового материала, опубликована в журнале Nature .
Источник: Северо-Западный университет
Тепло для электричества — HeatCalc
1. Рекуперация тепла
Прежде чем тепло можно преобразовать в электричество, его необходимо улавливать или извлекать из источника тепла. Это можно сделать разными способами, но часто с использованием теплообменника или котла-утилизатора. Оба передают тепло от первичной жидкости вторичной.В некоторых приложениях можно напрямую использовать источник тепла, но на практике большинство установок для утилизации отработанного тепла имеют промежуточный контур. См. Дополнительную информацию на странице «Рекуперация тепла».
2. Теплопередача
Как только тепло улавливается, оно должно быть передано компоненту, который преобразует его в электричество. В некоторых случаях жидкость для преобразования среды или мощности может непосредственно использоваться с выхлопным потоком. В других случаях промежуточный контур используется для передачи тепловой энергии на генератор тепла.Преимущество прямой системы заключается в уменьшении паразитных потерь (паразитных характеристик насоса и потерь тепла), связанных с промежуточным контуром. Однако промежуточный контур может охватывать большие расстояния и регулировать температуру, которую получает генератор тепла для выработки электроэнергии. Многие высокотемпературные генераторы тепла для выработки электроэнергии используют методы «прямого испарения» без промежуточных контуров. Для любого объекта лучше всего проанализировать источник тепла и процитировать несколько поставщиков, чтобы увидеть, какая технология может обеспечить наибольшую чистую мощность по сравнению с затратами на систему.
3. Преобразование тепла в энергию
После того, как тепло улавливается и передается в генератор, существует множество способов преобразовать его в электричество. Лучший способ подумать об этом этапе — проанализировать различные доступные варианты и поставщиков, понять, какой результат они могут получить по сравнению со стоимостью установки и эксплуатации, и принять решение. Вернитесь к нашему разделу технологий, чтобы узнать о преимуществах каждой технологии и нашем калькуляторе. Некоторые технологии направлены на максимальное увеличение выработки электроэнергии, другие — на надежность, а некоторые — на смешение.
4. Отвод тепла
Последним компонентом любого процесса преобразования тепла в энергию является отвод тепла или конденсация. В низкотемпературных циклах более низкие температуры охлаждения имеют решающее значение для получения более высокой температурной дельты (см. Теорему Карно). А в циклах с более высокой температурой может быть вариант использования тепла, который будет работать при более высоких температурах конденсации. Наиболее распространенными охлаждающими жидкостями являются окружающий воздух и вода. Воздух можно использовать с радиатором, который использует вентиляторы для обдува окружающим воздухом ребристых трубок для охлаждения рабочей жидкости.Если доступна прохладная вода (например, около океана), ее можно использовать для непосредственного охлаждения рабочей жидкости. Холодную воду можно производить с помощью градирни, которая охлаждает воду за счет испарения.