Преобразователь тепловой энергии в электрическую: Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения

Содержание

Способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

В. С. Семенов, А. В. Бейльман Научный руководитель - И. В. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

V. S. Semenov, A. V. Beylman Scientific supervisor - I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E-mail: [email protected]

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п. д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию - превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами. Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды. Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.

2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2]. ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.

3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

4. В 2011-2012 гг. при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].

Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.

Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.

Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).

Библиографические ссылки

1. Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К. Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. «Морская техника и технология». 2011. № 1. С. 84-91.

2. Пат. № 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф. № 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014. Бюл. № 33. 11 с.

3. Железняков А. Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).

4. Каминский В. В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014. Т. 56. В. 9. С. 131-142.

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

tPOD1 — эффективный преобразователь тепловой энергии в электричество / Хабр

То, что тепловую энергию можно преобразовывать в электричество, известно очень давно. Существует и целый спектр портативных устройств, которые совершают подобные преобразования без большого числа промежуточных этапов. Но вскоре может появиться устройство, которое окажется практически идеальным преобразователем тепловой энергии в электрическую для охотников, туристов, путешественников и жителей отдаленных регионов. tPOD1 достаточно эффективен — тепла, выделяемого одной маленькой свечкой (знаете, такие мини-свечки в металлической крышечке, они еще по воде могут плавать) хватит для обеспечения энергией светодиодной лампы (на 25 светодиодов) вплоть до четырех часов.

Этот проект разработан компанией Tellurex, которая в настоящее время собирает средства на реализацию своей идеи в промышленном масштабе на Kickstarter. Всего для начала массового производства tPOD1 нужно 85 тысяч долларов США. 40 тысяч долларов США уже собрано.

Разработчики считают, что их устройство может быть полезным, в первую очередь, для жителей удаленных регионов Африки. Та же мобильная связь добралась и туда, однако иногда жителям приходится проходить несколько километров в день, только для того, чтобы зарядить свой телефон где-нибудь в более цивилизованном районе. А теперь заряжать телефон можно будет буквально «из костра». Вероятно, жители смогут и просто класть tPOD1 куда-нибудь на темный камень, нагревающийся на солнце до 70 градусов (и даже выше).

Правда, стоимость девайса чрезмерно велика для африканца — выложить придется 69-79 долларов США. Так что пока tPOD1, вероятно, станет раскупаться только туристами, рыбаками и прочими категориями граждан, регулярно совершающих путешествия.

На видео, размещенном ниже, показан принцип действия устройства. Там вначале девочка вещает, но с 20-й секунды начинается сама презентация.

Via mashable

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

  • Самойлович А.Г. «Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии» 2007
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е.А. «Термоэлектрическая энергетика» 1974
  • Бернштейн А. С. «Термоэлектричество» 1957
  • Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства» 1979

New! Термоэлектрический генератор постоянного тока KIBOR для ТЭС когенерационные установки малой мощности цена

 

Термоэлектрические генераторы постоянного тока KIBOR предназначены для преобразования тепла в электричество. Мы представляем готовое решение по повышению общего кпд энергетической системы  и утилизации избыточного тепла вырабатываемого в тепловых пунктах, котлах и котельных установках, ТЭЦ и ТЭС для выработки электроэнергии, что и позволяет реализовать когенерационные установки.

Термоэлектрический модуль KIBOR электрической мощностью 500 Вт/48 В

 

Цена 135 000 руб

 

Основные технические параметры:

 

Выходная электрическая мощность 500 W
Размеры (Д x Ш x В)    460×400×965 мм
Выходное постоянное напряжение 48 В

Выходной ток 12 А

Внутреннее сопротивление  4,0 Ом
Напряжение холостого хода 96 В

Входная температура и скорость потока (масло)  280℃  0,25m³ /ч
Температура охлаждения (вода) 30℃  0,5m³/ч
Диаметр коллектора 1 дюйм
Вес   72,5 кГ

Термоэлектрический генератор постоянного тока KIBOR  преобразует бросовую тепловую энергию

высокотемпературные термоэлектрический генератор постоянного тока

в полезную электрическую. Термоэлектрический преобразователь KIBOR состоит из девяти

среднетемпературный преобразователь термоэлектрический

металлических секций. Через 3 секции циркулирует горячее масло, через 6 секций прокачивается

генератор термоэлектрический модуль цена

вода для охлаждения. В задней части модуля находится металлический резервуар с горячим

когенерационные установки цена

маслом. Выходные провода цвет: плюс – красный, минус - черный. Термоэлектрический

когенерационные установки малой мощности

преобразователь может генерировать более 500 Вт если источником тепла является температура более 280℃.

ДОСТОИНСТВА. Термоэлектрический генератор постоянного тока KIBOR:

+ Необслуживаемые системы со сроком службы не менее 10 лет.

+ Бесшумная работа.

+ Круглосуточная выработка электроэнергии.

ОТЗЫВЫ Термоэлектрические генераторы постоянного тока KIBOR

ЗАПРОСЫ, ВОПРОСЫ, ОТВЕТЫ, НОВОСТИ

1.   Для каких тепловых станций подходят термоэлектрические генераторы постоянного тока?

- термоэлектрические генераторы подходят для всех типов тепловых станций, где есть температура более 350°С, например: газовые теплостанции, на угле, газотурбинные теплоэлектростанции, бензиновые и дизельные мини электростанции,  на биогазе и пеллетах, электростанции на топливных элементах  и даже заводы по утилизации мусора (мусоросжигающие заводы), там где можно реализовать когенерационные установки.

2. Какие перспективы применения высокотемпературных среднетемпературных термоэлектрических генераторов постоянного тока?

- перспективно применение термоэлектрических генераторов постоянного тока для реализации когенерационных установок в автономных тепло электростанциях на дровах и опилках, ТЭЦ на угле, тепло электрогенераторах на пеллетах и торфе и других энергетических установках по утилизации древесных, бытовых и промышленных отходов.

3. Какой максимальный срок эксплуатации и есть ли скидки на термоэлектрические модули?

Эффективность термоэлектрических генераторов снижается через 10 лет на 5-10%, через 20 лет на 10-20%, через 30 лет снижение более 30%. Скидки на модули при заказе от 10 шт конечно есть!

4.  Какие нормативные документы по энергосбережению?

- ФЗ РФ "О теплоснабжении" от 27 июля 2010 г. N 190

статья 3: Обеспечение приоритетного использования комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для организации теплоснабжения.

- ФЗ РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» статья 14

- Постановление Правительства Российской Федерации от 31 декабря 2009 г. № 1225 «О требованиях к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности».

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

УДК 621. 382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

В.

С. Семенов, А. В.

Бейльман Научный руководитель – И. В. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп.

им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

V.

S. Semenov, A. V.

Beylman Scientific supervisor – I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E-mail: [email protected]

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п.

д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию – превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами.

Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды.

Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.

2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2].

ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.

3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

4. В 2011-2012 гг.

при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].

Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.

Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.

Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).

Библиографические ссылки

1.

Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К.

Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан.

гос. техн. ун-та.

Сер. «Морская техника и технология». 2011.

№ 1. С. 84-91.

2. Пат.

№ 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф.

№ 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014.

Бюл. № 33. 11 с.

3. Железняков А.

Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).

4. Каминский В.

В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014.

Т. 56. В.

9. С. 131-142.

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

Среди множества приборов, которые позволяют получать электроэнергию особое место занимают устройства, позволяющие выполнять преобразование тепловой энергии в электрическую. Их основной задачей является прямое преобразование одного вида энергии в другой с минимальным количеством различных промежуточных звеньев. Одновременно, решается задача по увеличению коэффициента полезного действия данного процесса.

Устройство преобразователя

Устройство-преобразователь состоит из нагреваемых элементов и генератораэлектрической энергии. Для изготовления нагреваемых элементов используется мягкий магнитный материал, точка Кюри у которого понижена. Он теряет свои магнитные качества при нагреве и обладает фазовым переходом.

Эти элементы входят в магнитную цепь в форме буквы Ф.

В ней имеется один средний и два боковых стержня. Боковые стержни состоят из двух элементов, между которыми находятся воздушные промежутки. Они примыкают к среднему стержню и относительно него располагаются симметрично по обеим сторонам.

Соединение нагреваемых элементов осуществляется с помощью жесткой планки. Она устанавливается на шарнире, расположенном с краю среднего стержня по оси симметрии. Когда планка изменяет свое положение, нагреваемые элементы по очереди перемыкают воздушные промежутки боковых стержней.

В воздушных промежутках располагается теплопровод, с помощью которого подводится тепло от нагревателя. При отсутствии перемыкания воздушных промежутков, происходит соприкосновение нагреваемых элементов с охладителем. В среднем стержне имеется обмотка возбуждения, питающаяся от постоянного тока, генерирующие обмотки генератора располагаются на боковых стрежнях.

Практическая работа преобразователя

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется по определенной схеме. Когда питание подается к обмотке, происходит возникновение магнитного потока, расходящегося по боковым стержням.

Подвижный элемент притягивается к боковому стержню и замыкает необходимый воздушный зазор. Происходит возрастание магнитного потока, при этом, нагреваемый элемент попадает под влияние теплопровода. Он нагревается до определенной температуры, при которой происходит потеря магнитных свойств.

Подвижный элемент притягивается к зазору и магнитная цепь бокового стержня замыкается.Таким образом, в одном из боковых стержней магнитное поле растет, а в другом оно падает. Этот процесс неоднократно повторяется.

Конечным результатом всех этих действий является электроэнергия. Ее количество и мощность полностью зависят от того, с какой скоростью подается тепло и охлаждение. От этого же зависти и КПД всей системы.

Физические источники тока

Этовозможно при условии, если температуратеплоносителя достигает более 1500.

Существуетдва способа преобразования тепловойэнергии в электричество:

    Пар направляется по трубам в турбины, которые соединяются с электрогенераторомПар предварительно очищается перед попаданием в трубы, далее направляется к турбинам.

Геотермальнаястанция – это те же тепловые электростанции,в которых роль котла или ядерногореактора взяли на себя естественныеподземные источники тепла.

Энергия ветра

Ветер– это преобразованная солнечная энергия.

Солнечныелучи прогревают Землю, а отраженные –воздух. Интенсивность прогреваниявоздуха увеличивается с понижениемвлажности почвы. Так воздух в пустынеполучает от раскаленного песка в 130 разбольше тепла, чем от поверхности океанатой же широты.

Перемещениевоздушных масс происходит в вертикальномнаправлении под действием силы притяженияЗемли (более холодный стремится вниз,а теплый – наверх) и в горизонтальномнаправлении ( направление перемещениявоздушных масс зависит от неравномерностипрогрева земно поверхности).

Преобразованиеветровой энергии в электрическую.

Поднапором ветра вращается ветроколесо слопастями, передавая крутящий моментчерез систему передач валу генератора,вырабатывающий электроэнергию. Чембольше диаметр ветроколеса, тем большевоздушный поток, который захватываетсяи тем больше энергии вырабатывается.

Положительныйэффект:

Недостаток:

    Низкое КПДНебольшая мощностьШумВибрацияЗанимает большие площади

Приливная энергетика

Используетсяэнергия приливов и отливов Мировогоокеана.

Двараза в сутки уровень в океане топоднимается, то опускается. Это происходитпод действием гравитационных сил солнцаи луны, которые притягивают к себе водыокеана.

Уберега разность уровней воды приливаи отлива достигают более 10 метров. Еслив заливе на берегу моря, в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилищеможно создать запасы воды во времяприливов. А при отливе воду пропускаютчерез гидротурбины, в результате энергияпреобразуется в электрическую.

Недостатки:

    Дороговизна строительстваНеравномерность выработки электроэнергии

Солнечная энергия

Преобразованиесолнечной энергии в электрическуюпроисходит с помощью:

    ТурбогенераторовСолнечных элементов

Однаков обоих случаях необходимо иметьсобирающее устройство солнечной энергии,которое бывает в виде плоского иливогнутого зеркала. Температура наповерхности зеркала достигает более30000.

Воснову солнечной батареи входят кристаллыкремния, которые покрыты тончайщийпрозрачным для света слой металла.

Потомсолнечных фотонов проходит сквозь слойметалла и выбивает электроны из кристалла.Эти электроны концентрируются наповерхности металлов. Между слоемметалла и кристаллом кремния возникаетразность потенциалов.

Приусловии соединения 1000 фотоэлементовпараллельно – получится солнечнаябатарея, способная питать электроэнергиейпомещение.

Будущее:

Энергетика морских течений

Морскиетечения Гольфстрим, Куросио несут всекунду 83 и 55 миллионов кубическимметров воды соответственно. В настоящеевремя разрабатываются проекты использанияэтой энергии.

Как сделать стену из гипсокартона своими руками

сложные перегородки из гипсокартонаВ этом разделе все о гипсокартоне от А до Я, вы научитесь, как правильно сделать перегородку из гипсокартона далее…

Как разместить светильники на натяжном потолке

Как разместить светильники на потолке. 25264 просмотровБольшинство комнат в квартирах Республики Беларусь, как правило освещает одна люстра, установленная по центру потолка. Изредка далее…

Утеплитель для труб в земле

Способы утепления водопроводных труб в землеОглавление: [ скрыть ]Как правильно утеплить водопроводные трубы, если на даче или в частном далее…

Что такое форсаж дуги на сварочном инверторе(16)

Какие потолки лучше глянцевые или матовые(10)

Стружкоотсос своими руками из улитки(8)

Общая площадь дома что входит(7)

Почему генератор выдает низкое напряжение(7)

Как поднять участок на даче(7)

Леруа мерлен поддоны для душа(5)

Вентиляция с естественным побуждением это(5)

Какие люстры подходят для натяжного потолкаПо каким критериям выбрать люстру для натяжного потолка?СодержаниеРазнообразие Какие потолки лучше глянцевые или матовыеКакой натяжной потолок выбрать? (матовый, глянцевый или сатиновый)Вы приняли решение установить Каким валиком лучше красить потолокКак правильно красить валиком потолокЕсли вы задались вопросомКак Как заделать дырку в потолкеРемонт потолка своими рукамиНатяжной потолокОтштукатуренный потолокГипсокартонный потолокЕсли у вас вдруг Как визуально сделать потолок вышеКак сделать низкий потолок визуально вышеВ большинстве типовых квартир и частных

Реконструкция старого фундаментаВ ходе эксплуатации здания может возникнуть необходимость в усилении…

Как скомбинировать обои для кухни?Одним из оригинальных дизайнерских приемов, с помощью…

Утепление стен внутри дома: достоинства и недостаткиУтепление стен внутри дома похоже…

Источники:

  • cyberleninka.ru
  • electric-220.ru
  • studfiles.net
  • www.sferatd.ru

Прямое преобразование тепловой энергии деления ядер в электрическую

Страница 35 из 39

В ядерных установках тепловая энергия деления преобразуется в электрическую в основном с помощью турбин, паровых или газовых, и генераторов электрического тока. Прямое преобразование тепловой энергии деления осуществляется тремя основными способами: термоэлектрическим, термоэмиссионным и магнитогидродинамическим.

РЕАКТОРЫ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

Принцип термоэлектрического способа преобразования тепловой энергии в электрическую основан на явлении, названном по имени немецкого ученого Зеебека (1821 г.). Суть явления заключается в том, что в термоэлементе, представляющем собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из разнородных материалов, возникает ЭДС, если точки контактов имеют разные температуры.
Термоэлектродвижущая сила, В, определяется разностью температур горячего и холодного контактов и свойствами материалов, составляющих термоэлемент, и равна Е=а(Тi—Г2), где а — удельная термоэлектродвижущая сила пары, В/К; Тi и Тг — температуры горячего и холодного контактов соответственно.
Термоэлементы могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми. Металлические термоэлементы нашли широкое применение для измерения температур, но они непригодны в качестве генераторов из-за высокой теплопроводности материалов цепи и связанных с этим больших потерь тепла, что не позволяет достичь высоких величин КПД (КПД металлических термоэлементов не превосходят десятых долей процента).
Прогрессивные методы изготовления полупроводников, а возникающие в них термоэлектродвижущие силы в сотни раз выше, чем в металлах и сплавах, позволили реально поставить вопрос о создании экономически выгодных генераторов. КПД термоэлементов из различных полупроводников сравним с КПД тепловых машин.
Для преобразования ядерной энергии в электрическую удобно использовать цепь батарей из последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых термоэлементов. Они нашли и находят применение в ядерных энергетических установках, предназначенных для питания многочисленных приборов метеорологических станций, космических установок, навигационных служб.
Термобатареи могут быть размещены непосредственно в активной зоне ядерного реактора или вынесены за ее пределы, где горячие спаи нагреваются теплоносителем реактора. На рис. 9.1 и 9.2 показан общий вид активной зоны и термоэлектрического преобразователя ядерной установки «Ромашка» (СССР), в которой реактор и преобразователь скомпонованы в одном агрегате, и конструкция термоэлектрического реактора-преобразователя.
Реактор имеет следующие характеристики:
Электрическая мощность, Вт............................................................................................. 800
Общая загрузка 235U, кг.............................................................................                            49
Плотность нейтронного потока в центре, нейтр/(м2*с) ......  10+17
Рабочая температура, °С:
топлива.................................................................................................................... 1900
на наружной поверхности бериллиевого отражателя........................................... 980
у основания излучающих ребер............................................................................. 550
Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора при делении 235U, путем теплопроводности передается в радиальном направлении на отражатель и далее с боковой поверхности отражателя на коаксиально расположенный, примыкающий


Рис. 9.2. Термоэлектрический преобразователь реактора «Ромашка»:

Рис. 9.1. Реактор-преобразователь «Ромашка»:

а — общий вид активной зоны; б — общий вид термоэлектрического преобразователя

  1. — регулирующий стержень; 2 — отражатель; 3 — UC2 диски в графите; 4 — Si—Ge-модуль; 5 — медные ребра для отвода тепла

к отражателю полупроводниковый преобразователь. Реактор цилиндрической формы состоит из активной зоны и отражателя (радиального и торцевых).
Активная зона реактора по высоте набирается из тепловыделяющих элементов, каждый из которых выполнен из графитового корпуса и топливных пластин из дикарбида урана с обогащением 90% по 235U.
Радиальный отражатель реактора собран из коаксиально расположенных элементов из бериллия и графита. Торцевые отражатели изготовлены также из металлического бериллия. Для уменьшения утечки тепла через торцы реактора применяется теплоизоляция.

Рис. 9.3. Схема установки SNAP-10A:
1 — реактор; 2 — насос; 3 — поток теплоносителя; 4 — термоэлектрический преобразователь
В качестве термоэлектрического преобразователя в установке используется преобразователь на основе кремний-германиевого сплава. Термоэлементы представляют собой пару термостолбиков с n- и /7-проводимостью, соединенных по горячей стороне коммутационной пластинкой.
По холодной стороне отдельные пары термостолбиков коммутируются между собой в единую цепь. В целом термоэлектрический преобразователь установки разбит на четыре группы термоэлементов, каждая из которых имеет независимые силовые выводы. Внутри каждой из четырех
групп преобразователя термоэлементы коммутируются последовательно в четыре параллельные цепи. Сброс тепла с холодной стороны термобатареи осуществляется медным ребристым излучателем.
На рис. 9.3 приведена схема установки SNAP-10A (США). Активная зона реактора состоит из 37 стержневых твэлов диаметром 31,8 и длиной 330 мм с топливом из сплава U2rH* с 10% 235U. Оболочка твэла с толщиной стенки 0,35 мм изготовлена из хастелоя-N. Основные характеристики установки следующие:
Электрическая мощность, Вт........................................................................... 540
Общая загрузка 235U, кг............................................................................................ 4,3
Плотность нейтронного потока в центре, иейтр/(м2*с) ....                1,7* 10+15
Рабочее напряжение, В...................................................................................... 28,5
Ток, А................................................................................................................. 19
Рабочая температура, °С:
топлива..................................................................................................               585
теплоносителя на выходе................................................................................... 545
горячей стороны термоэлементов.............................................................. 500
холодной стороны термоэлементов........................................................... 315
В отличие от установки. «Ромашка» термоэлектрический преобразователь SNAP-10A вынесен за пределы активной зоны реактора, и разогрев его горячей стороны осуществляется Na—К-теплоносителем. Термоэлементы состоят из полупроводников на основе кремний-германиевых сплавов. Общее количество термоэлементов в преобразователе 1440.
Другим примером высокотемпературного реактора-преобразователя является установка SNAP-8. Реактор содержит 211 твэлов из UZrHx с обогащением 10% 235U (содержание водорода 36* 1022 атом/см3). Полная загрузка по 235U достигает 6,56 кг. Тепловая мощность реактора составляет 600 кВт. В качестве термоэлектрического материала в установке SNAP-8 используется РЬТе вместо GeSi, что вызвано более высокой добротностью этого материала и его более высоким КПД, несмотря на почти вдвое меньшую рабочую температуру (566 °С для РЬТе, 957 °С для GeSi).
В США разрабатывается реактор-преобразователь для электропитания глубоководной аппаратуры. Мощность реактора составит 2500 кВт (т.). В качестве топлива предполагается использовать низкообогащенное ядерное топливо. В активной зоне — труба высотой 711,2 мм — находится 12 топливных блоков квадратного сечения, в каждом из которых расположено 104 твэла. Обогащение ядерного топлива UO2 достигает 8,7% 235U, общая загрузка 235U 73 кг. Для управления реактором предусмотрено четыре стержня из карбида бора. Замедлителем, отражателем и теплоносителем служит обыкновенная вода.
Термобатарея состоит из трех групп, разделенных на семь блоков. Каждый блок в свою очередь состоит из 34 комплектов параллельно соединенных пяти пар термоэлементов. Блоки и группы соединены последовательно. Термоэлементы я-типа состоят из теллурида висмута на холодном конце и сплава РЬТе — SnTc на горячем конце. Термоэлементы p-типа состоят из сплава В12Тез—Sb2Te3 на холодном конце. Полезная мощность установки составляет 10 кВт, общий КПД реактора-преобразователя 5%.
Широкое распространение получили изотопные термоэлектрические преобразователи, работающие на энергии, излучаемой радиоактивными изотопами; такие преобразователи позволяют создавать надежные, компактные, не требующие обслуживания электрические установки с полезной мощностью 2—60 Вт. Установки находят применение на автоматических метеорологических и навигационных станциях, расположенных в малонаселенных местностях, а также в космических устройствах в качестве вспомогательных источников энергии.

Таблица 9.1. Некоторые характеристики изотопов

В табл. 9.1 приведены характеристики некоторых наиболее широко используемых изотопов, получаемых очисткой продуктов деления или облучением подходящих материалов. Большинство из них сильные бета- и у-излучатели, и установки с их использованием требуют с пециальной защиты. Некоторые изотопы являются а-излучателями и не требуют мощного экранирования, что позволяет резко снижать массу установки.
При использовании изотопов с малым периодом полураспада необходимо учитывать уменьшение тепловой отдачи с течением времени. Генераторы на изотопах с большим периодом полураспада (238Ри) позволяют получать практически постоянную мощность на протяжении 10 лет.
В СССР два первых изотопных ТЭГ созданы с использованием 210Ро и 144Се.

Рис. 9.4. Радиоизотопный ТЭГ «Бета-1»:
1 — механизм регулирования; 2 — свинцовая пробка; 3 — биологическая защита; 4 — система сброса тепла; 5 — тепловая изоляция; 6 — изотопный блок; 7 — тепловой блок; 8 — термобатарея
Плоская ампула с 210Ро размещена между горячими концами двух термобатарей. Материалом полупроводников служит GeSi, что обусловлено хорошими прочностными, механическими и радиационными свойствами этого материала.
Тепловая мощность ампулы составляла 200 Вт. КПД всей установки 3—3,3%.
В ТЭГ с изотопом 144Се термоэлементы изготовлены из сплавов Bi2Te3 —
Sb2Te3 (/?-тип) и Bi2Te3 — Bi2Se3 (n-тип).
Установка применялась для питания автоматической метеорологической станции, за время работы выработано 25 кВт-ч.
В установке «Бета-1» источником тепла служит 144Се. Тепло отводится внешним оребрением. Тепловыделяющая мощность составляет 257 Вт. Поверхность ребер излучения 6,5 м2 (рис. 9.4.).
В США по программе SNAP была создана серия изотопных термоэлектрических генераторов. В качестве топлива использовали 144Се, 90Sr, 238Pu. Выбор материала корпуса определялся назначением установки: в установках, предназначенных для работы под водой, используются медно-бериллиевые сплавы, генератор SNAP-7C для питания метеостанций заключен в оболочку из хастелоя-С.
В радиоизотопном обогревательном аппарате для водолазных костюмов, разработанном в США, используются изотопы 170Ти и 171Ти, помещенные в защитный пакет и вырабатывающие мощность 400 Вт (тепл.). Тепло используется для подогрева воды до 43 °С, а также для работы термобатареи мощностью 5 Вт (эл.).
Устройство изотопных блоков должно удовлетворять следующим требованиям: 1) герметичность изотопного блока в условиях эксплуатации и при возможных авариях, что обеспечивается соответствующей конструкцией и выбором материала оболочки; 2) минимальные размеры изотопного блока при обеспечении заданной тепловой мощности; 3) в случаях использования короткоживущих изотопов необходимо наличие регулировки тепловой и электрической мощности.

Создан материал, превращающий тепло в электричество с рекордной эффективностью

Исследователи из Австрии, Японии и Китая представили термоэлектрический преобразователь с эффективностью почти в два раза выше существующих аналогов. Статья исследователей была опубликована в журнале Nature.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию . Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если существует разница температур между двумя концами такого материала, то он может создавать электрический ток в цепи, в которую включен. Количество электрической энергии, которое может быть произведено при заданной разности температур, измеряется значением добротности ZT: чем выше этот показатель, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие термоэлектрики на сегодняшний день имеют значение ZT от 2,5 до 2,8. Разработанный учеными новый материал в два раза превышает эти показатели: его ZT колеблется от 5 до 6. Этот рекордный композит представляет собой тонкие слои железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенные на кристалл кремния.

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые очень трудно совместить, — подчеркивает один из исследователей, профессор Института физики твердого тела Венского технического университета Эрнст Бауэр. — С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, а с другой — как можно хуже переносить тепло. Это сложная задача, поскольку электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

Атомы в слоях этого материала расположены в регулярной гранецентрированной кубической решетке. Однако при нанесении тонкого слоя на кристалл кремния наблюдается удивительный эффект: их структура радикально меняется. Хотя атомы все еще имеют кубическую решетку, теперь она оказывается объемно-центрированной, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. Эта смесь регулярности и нерегулярности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле.

Электрический заряд движется через материал особыми порциями — фермионами Вейля — безмассовыми частицами, переносящими возмущение кристаллической решетки и электроны. С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, замедляются из-за неравномерностей в кристаллической структуре. Поэтому теплопроводность материала уменьшается.

Новый материал, по словам ученых, настолько эффективен, что его можно было бы использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того чтобы подключать небольшие устройства к кабелям, они могли бы генерировать свое собственное электричество из перепадов температур.

Превращение тепла в электричество | MIT News

Что, если бы вы могли запускать кондиционер не от обычного электричества, а от солнечного тепла в теплый летний день? Благодаря достижениям в термоэлектрических технологиях это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства изготавливаются из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество, не требуя каких-либо движущихся частей - качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества.Это явление обратимо: если электричество приложить к термоэлектрическому устройству, оно может вызвать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервное питание космических зондов и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут собирать тепло, производимое как побочный продукт промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло в электричество.Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которое они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института открыли способ увеличить эту эффективность втрое, используя «топологические» материалы, которые обладают уникальными электронными свойствами. В то время как прошлые работы предполагали, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи из Массачусетского технологического института идентифицируют основное свойство, которое делает определенные топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурированного материала таким образом, чтобы сделать топологические материалы хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», - говорит Те-Хуан Лю, постдок механического отдела Массачусетского технологического института. Инженерное дело.«В конце концов, это может быть экологически чистый способ помочь нам использовать источник тепла для выработки электричества, что уменьшит выбросы углекислого газа».

Лю - первый автор статьи PNAS , в которую входят аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичен Сун; Минда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, доцент кафедры физики Биденхарна; и Ганг Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободно пройденный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию температурного градиента - например, один конец нагревается, а другой охлаждается, - электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному концу , генерирующий электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и вырабатывается больше энергии. Количество энергии, которое может быть произведено, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования, метода, который ученые используют для синтеза материала, моделируя его свойства в масштабе нанометров. Ученые полагают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью в их наноструктурах. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также проявляют особые свойства, имитирующие класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Команда стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова путем моделирования того, как электроны проходят через материал.Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средним свободным пробегом», или средним расстоянием, на которое электрон с заданной энергией может свободно пройти в материале, прежде чем будет рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый с границами, известными как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию различным образом рассеиваться.Электроны с большой длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетирующие от стенки, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега пострадают гораздо меньше.

В ходе моделирования исследователи обнаружили, что электронные характеристики теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега. Они построили график диапазона энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличался от графика для большинства обычных полупроводников.В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов, результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно обладают большей длиной свободного пробега.

Затем группа исследовала, как эти электронные свойства влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, суммируя термоэлектрические вклады электронов с разной энергией и длиной свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов при градиенте температуры в значительной степени зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности напряжений и, следовательно, на электрический ток. Эти низкоэнергетические электроны также имеют более длинные длины свободного пробега, что означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны более высоких энергий.

Уменьшение размера

Сделав еще один шаг в своем моделировании, команда поиграла с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы увидеть, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте.Они обнаружили, что, когда они уменьшили диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть при меньших размерах зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткие длины свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются по границам зерен. Это приводит к возникновению большей разницы напряжений.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерен теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал мог бы произвести с более крупными зернами.

Лю говорит, что хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут достичь аналогичных характеристик, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерен с помощью техники наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер будет намного больше, чем 10 нанометров.

«В ходе моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем предполагалось ранее, и, основываясь на этой концепции, мы можем повысить его эффективность», - говорит Лю.

Теллурид олова - лишь один пример из многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. Лю говорит, что если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я считаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих приложений», - говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Центром преобразования твердотельной солнечной тепловой энергии, исследовательским центром Energy Frontier Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Как работают термоэлектрики? - Силовой практический

А теперь вернемся к термоэлектрике!

Строго говоря, термоэлектрические генераторы принимают разность температур и превращают ее в электрическую энергию. Удивительно, но эти материалы можно использовать и в обратном направлении! Если вы включите термоэлектрический генератор, вы создадите разницу температур.В небольших мини-холодильниках, рассчитанных всего на несколько напитков, используются термоэлектрические генераторы для эффективного охлаждения нескольких напитков.


Чтобы понять, как термоэлектрики генерируют электричество из-за разницы температур, мы должны немного узнать о том, как движутся электроны в металле. Металлы являются хорошими проводниками, потому что электроны могут свободно перемещаться внутри них, как жидкость в трубе. Представьте, что у вас есть труба, полная воды, и вы поднимаете один конец, что происходит? Вода будет стекать по трубе от верхнего конца к нижнему.Это потому, что когда вы поднимаете трубу, вы увеличиваете потенциальную энергию, и вода хочет течь вниз. В термоэлектрическом материале то же самое происходит с жидкообразными электронами, когда вы его нагреваете.

Нагрев одного конца термоэлектрического материала заставляет электроны перемещаться от горячего конца к холодному концу. Когда электроны переходят с горячей стороны на холодную, это вызывает электрический ток, который PowerPot использует для зарядки USB-устройств. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и, следовательно, больше энергии.

Сложность термоэлектрических генераторов заключается в том, что при нагревании горячей стороны нагревается и холодная сторона генератора. Для выработки энергии с помощью термоэлектрического генератора вам понадобится как источник тепла, так и способ рассеивания тепла, чтобы поддерживать разницу температур между термоэлектрическими материалами. Это делается без движущихся частей путем нагрева воды в PowerPot. Вода удерживает в несколько раз больше тепла, чем алюминий на фунт, поэтому из нее получается прекрасный радиатор.Кроме того, вода никогда не нагревается выше 212 F (100 C) при кипении, что эффективно ограничивает максимальную температуру «холодной» стороны термоэлектрического генератора. Поэтому в PowerPot всегда должно быть что-то водянистое, иначе термоэлектрический генератор может перегреться.

преобразование отработанного тепла в электричество даже при небольших перепадах температур

Отработанное тепло, например, от систем отопления, обычно просто рассеивается. Он излишне нагревает подвальные помещения и их производственную среду, не принося никакой пользы.Однако устойчивое энергоснабжение включает включение этого отходящего тепла в энергоснабжение. Немецкие и японские ученые сделали большой шаг к цели преобразования избыточного тепла в электричество при низких перепадах температур.

Во многих технических процессах используется только часть подводимой энергии. Различное количество остатка покидает систему в виде остаточного тепла, которое, в свою очередь, само может быть использовано для выработки тепла или выработки электроэнергии, если оно не останется неиспользованным.Чем выше температура этого отходящего тепла, тем проще и экономичнее будет его использовать. Но есть также способ использовать низкотемпературные отходы тепла, а именно через термоэлектрические генераторы, которые преобразуют тепло непосредственно в электричество. Однако пока это создает проблему: термоэлектрические материалы дороги и иногда токсичны. Термоэлектрические генераторы также требуют больших перепадов температур для достижения относительно небольшого эффекта.

Термомагнитный вместо термоэлектрического

Но есть альтернатива.Еще в 19 веке исследователи представили первые концепции термомагнитных генераторов. Между тем, такие генераторы на основе сплавов, магнитные свойства которых сильно зависят от температуры, представляют собой многообещающую альтернативу термоэлектрическим генераторам. В этом случае изменяющаяся намагниченность в приложенной катушке индуцирует электрическое напряжение. Однако загвоздка в том, что электрическая мощность этих генераторов пока оставляет желать лучшего.

Подпишитесь на IO в Telegram!

Хотите вдохновляться 365 дней в году? Вот возможность.Мы предлагаем вам один «источник инноваций» в день в компактном сообщении Telegram. Семь дней в неделю, доставка около 20:00. CET. Прямо из нашей редакции. Подпишитесь здесь, это бесплатно!

Подписаться!

Дополнительные статьи по использованию отходящего тепла

Ученым из Института технологии микроструктур (IMT) KIT и Университета Тохоку в Японии теперь удалось значительно увеличить электрическую мощность термомагнитных генераторов по отношению к их площади основания. «Благодаря результатам нашей работы термомагнитные генераторы могут впервые составить конкуренцию известным термоэлектрическим генераторам», - говорит профессор Манфред Коль, руководитель исследовательской группы «Умные материалы и устройства» в IMT KIT.«Таким образом, мы значительно приблизились к цели преобразования отработанного тепла в электричество при небольшой разнице температур». Работа команды - тема обложки в текущем выпуске журнала исследований в области энергетики Joule.

Видение: утилизация отходящего тепла при температуре, близкой к комнатной

В качестве тонких пленок в термомагнитных генераторах магнитные интерметаллические соединения, известные как сплавы Гейслера, обеспечивают большое температурно-зависимое изменение намагниченности и быструю теплопередачу. Исследователи объяснили, что это основа новой концепции резонансного самовозбуждения.По их словам, даже при небольшой разнице температур в устройствах могут возникать резонансные колебания, которые можно эффективно преобразовать в электричество.

Однако электрические характеристики отдельных устройств, по их словам, низкие, и масштабирование зависит в первую очередь от разработки материалов и конструкции. В своей работе над сплавом никель-марганец-галлий немецкие и японские исследователи обнаружили, «что толщина слоя сплава и площадь основания устройства влияют на электрические характеристики в противоположных направлениях.«Основываясь на этом открытии, они смогли увеличить электрическую мощность в 3,4 раза по сравнению с площадью основания. Для этого увеличили толщину слоя сплава с пяти до 40 микрометров.

В результате термомагнитные генераторы достигли максимальной электрической мощности 50 микроватт на квадратный сантиметр при изменении температуры всего на три градуса Цельсия. «Эти результаты открывают путь для разработки индивидуальных термомагнитных генераторов, подключенных параллельно, с возможностью использования избыточного тепла, близкого к комнатной температуре», - объясняет Коль.

Фото на обложке: Термомагнитные генераторы основаны на тонких магнитных пленках, свойства которых сильно зависят от температуры. © IMT / KIT

«Поглотитель энергии» может превратить тепло холодильников и других устройств в электричество | Наука

Новые устройства могут преобразовывать низкопотенциальное тепло от водонагревателей и других источников в электричество.

Анатолий / iStock.com

Автор Роберт Ф. Сервис

Холодильники, бойлеры и даже лампочки постоянно отводят тепло в окружающую среду. Теоретически это «отходящее тепло» можно было бы превратить в электричество, как это иногда делают на электростанциях, автомобильных двигателях и других источниках тепла. Проблема: эти «низкокачественные» источники выделяют слишком мало тепла для современной технологии, чтобы обеспечить хорошее преобразование.

Теперь исследователи создали устройство, которое использует жидкости для эффективного преобразования низкопотенциального тепла в электричество. Прогресс может однажды привести в действие устройства, поглощающие энергию, которые могут включать датчики и огни и даже заряжать батареи.

«Это хорошая работа и очень умная идея», - говорит Пинг Лю, наноинженер из Калифорнийского университета в Сан-Диего, который не принимал участия в исследовании.

Ученым уже почти 200 лет известно, что определенные материалы могут преобразовывать тепло в электричество, и их исследуют на предмет использования в качестве дополнительной электроэнергии для гибридных транспортных средств.Эта работа выполняется с помощью специализированных полупроводников, называемых термоэлектрическими материалами, которые превращаются в крошечные устройства размером с компьютерные микросхемы. Когда одна сторона термоэлектрика более горячая, чем другая, тепло и электроны перемещаются от горячей стороны к холодной. Соединение нескольких таких микросхем вместе позволяет инженерам генерировать постоянный электрический ток.

Ключом к преобразованию является поиск материалов, которые хорошо проводят электроны, но не нагреваются, чтобы поддерживать разницу температур между двумя сторонами.Те, что существуют, дороги - и лучше всего работают, когда разница температур между горячей и холодной сторонами составляет сотни градусов по Цельсию. Для низкопотенциальных источников тепла, таких как холодильники, они бесполезны.

Чтобы решить эту проблему, физик-материаловед Цзюнь Чжоу и его коллеги из Университета науки и технологий Хуачжун обратились к термоячейкам. В этих устройствах вместо твердых материалов используется жидкость для переноса заряда с горячей стороны на холодную. Они делают это не за счет перетасовки электронов, а за счет перемещения заряженных молекул или ионов.

Термоэлементы хорошо преобразуют небольшие перепады температур в электричество, но обычно они производят лишь крошечные токи. Отчасти это связано с тем, что ионы более медлительны, чем электроны. Ионы также переносят тепло через материал (в отличие от электронов), уменьшая разницу температур между двумя сторонами и снижая эффективность преобразования энергии.

Чжоу и его коллеги начали с небольшого термоэлемента: камеры размером с домино с электродами сверху и снизу. Нижний электрод находился на горячей пластине, а верхний электрод упирался в охладитель, поддерживая разницу температур между двумя электродами в 50 ° C.Затем они заполнили камеру ионно-заряженной жидкостью, называемой феррицианидом.

Прошлые исследования показали, что ионы феррицианида рядом с горячим электродом спонтанно отдают электрон, изменяясь с электрона с зарядом –4, или Fe (CN) 6 –4 , на феррицианид с зарядом –3, или Fe (CN) 6 –3 . Затем электроны перемещаются по внешней цепи к холодному электроду, питая по пути небольшие устройства. Достигнув холодного электрода, электроны соединяются с ионами Fe (CN) 6 –3 , которые диффундируют снизу вверх.Это регенерирует ионы Fe (CN) 6 –4 , которые затем диффундируют обратно к горячему электроду и повторяют цикл.

Чтобы уменьшить тепло, переносимое этими движущимися ионами, Чжоу и его коллеги добавили в их феррицианид положительно заряженное органическое соединение, называемое гуанидином. На холодном электроде гуанидин заставляет холодные ионы Fe (CN) 6 –4 кристаллизоваться в крошечные твердые частицы. Поскольку твердые частицы имеют более низкую теплопроводность, чем жидкости, они блокируют часть тепла, идущего от горячего электрода к холодному.Затем гравитация притягивает эти кристаллы к горячему электроду, где дополнительное тепло превращает кристаллы обратно в жидкость. «Это очень умно», - говорит Лю, поскольку твердые частицы помогают поддерживать температурный градиент между двумя электродами.

Тоже сработало. Термоэлемент генерировал в пять раз больше энергии для той же площади электрода, чем предыдущие версии, сообщают Чжоу и его коллеги на этой неделе в журнале Science . Это также более чем вдвое увеличило эффективность, необходимую для создания жизнеспособного коммерческого устройства.Группа обнаружила, что модуль размером с книгу в мягкой обложке из 20 термоэлементов может включать светодиодные фонари, приводить в действие вентилятор и заряжать мобильный телефон.

«Это показывает, что вы можете улучшить производительность [этих устройств] до очень достойного уровня», - говорит Ганг Чен, инженер-механик из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в исследовании. Еще неизвестно, будет ли это достаточно хорошим для того, чтобы технология стала коммерчески успешной, - добавляет он. «Низкопотенциальное отходящее тепло повсюду. Но его сбор стоит денег.”

Следующим шагом для питания реальных устройств является добавление других недорогих материалов, которые поглощают как можно больше отработанного тепла из желаемых источников, исключая при этом остальную окружающую среду, - говорит Чен, - эта задача, по словам Чжоу, его команда уже работает. на. Когда это произойдет, мы скоро сможем приводить в действие все виды маленьких гаджетов с помощью тепла, которое окружает нас.

Из электрической энергии в тепловую

Как вы думаете, что произойдет, если поместить электрический стержень в стакан с водой? Через некоторое время вода нагреется.Электрическая энергия преобразуется в тепловую. Но как? Через стержень проходит напряжение, и в его проводе генерируется ток. Электроны, сталкиваясь с атомами в проводе, передают энергию от движущихся электронов металлической решетке в проводе. Атомы этой металлической решетки колеблются из-за дополнительного увеличения этой энергии. И они вибрируют все больше и больше по мере того, как получают энергию и вырабатывается тепловая энергия.

Что такое преобразование электрической энергии в тепловую?

Как следует из названия, преобразование электрической энергии в тепловую - это не что иное, как преобразование одной формы энергии в другую.

Если устройство имеет вход в виде электрической энергии, а выход в виде тепла, то здесь происходит преобразование.

Пример 1: для преобразования электрической энергии в тепловую:

Преобразование энергии легко пояснить на простом примере. Вы даже можете попробовать это у себя дома. Просто возьмите электрическую лампочку и включите ее в розетку. Теперь включите свет на 5-10 мин. Теперь выключите свет и коснитесь электрической лампочки, вы почувствуете тепло в электрической лампочке.Это потому, что электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, а в электрической лампочке - энергию света.

Пример 2: для преобразования электрической энергии в тепловую:

Теперь возьмем змеевиковый нагреватель. Возьмите ведро с холодной водой, и вы даже можете проверить ее температуру с помощью термометра. Теперь включите розетку нагревателя змеевика на 10 мин. Теперь отключите розетку и проверьте температуру воды в ведре. На градуснике видно повышение температуры. Вопрос в том, как повышается температура ?? Это связано с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Как электрическая энергия преобразуется в тепловую

Электрический нагрев - это любой процесс, при котором электрическая энергия преобразуется в тепло. Общие области применения включают отопление помещений, приготовление пищи, нагрев воды и промышленные процессы.

Электронагреватель - это электрический прибор, преобразующий электрическую энергию в тепло. Нагревательный элемент внутри каждого электрического нагревателя представляет собой просто электрический резистор и работает по принципу джоулева нагрева: электрический ток через резистор преобразует электрическую энергию в тепловую.В большинстве современных электронагревательных приборов в качестве активного элемента используется нихромовая проволока. В нагревательном элементе, изображенном справа, используется нихромовая проволока, поддерживаемая термостойкой, огнеупорной, электроизоляционной керамикой.

Примеры преобразования электрической энергии в тепловую:

  • Радиационные обогреватели
  • Конвекционные обогреватели
  • Тепловентиляторы
  • Система освещения
  • Тепловые насосы
  • Микроволновая печь

Что следует помнить
  • Преобразование энергии происходит, если энергия переходит из одной формы в другую
  • Если устройство имеет вход в виде электрической энергии и выдает выход в виде тепла, то здесь происходит преобразование.
  • Электрическая лампочка - один из примеров преобразования электрической энергии в тепловую

Электроэнергия прочие

Термоэлектрический преобразователь

TEC-Chip


(инновационный термоэлектрический преобразователь (TEC) на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник-металл)

Почему так важно эффективное преобразование тепла в электрическую энергию?

Статистические данные показывают, что более 60% энергии, производимой при сжигании ископаемого топлива или на атомных электростанциях деления, теряется, в основном в виде отработанного тепла.Таким образом, высокоэффективные термоэлектрические (ТЭ) материалы, которые могут напрямую и обратимо преобразовывать тепло в электрическую энергию, в последние десятилетия привлекают все большее внимание правительств и исследовательских институтов. Во всем мире существует огромное количество тепловой энергии, которую нужно утилизировать! Не говоря уже о чистом тепле, которое Земля получает от солнца каждый день.
Термоэлектрические системы - это экологически чистая технология преобразования энергии, имеющая преимущества небольшого размера, адаптируемой формы, высокой надежности, отсутствия загрязняющих веществ и возможности работы в широком диапазоне температур.Единственным большим слабым местом доступных в настоящее время технологий ТЕС является эффективность, которая недостаточно высока, чтобы соперничать со средними показателями цикла Карно. Эффективный КПД лучших ТЭГ (ТЭ-генераторов) на основе эффекта Зеебека, имеющихся в настоящее время, фактически не превышает 5-6%.
Кроме того, еще и цена / ватт все еще завышен. На данный момент эффективность термоэлектрического преобразования невысока из-за низкой производительности термоэлектрических материалов.
Экологические преимущества для планеты и потенциальный рынок новой технологии TEC, предлагающей высокую эффективность по доступной цене, просто впечатляют.

Какое решение предлагает Прометеон?

Прометеон разрабатывает инновационную технологию ТЭО совместно с российским ученым, работающим над ней более пятнадцати лет в Южном федеральном университете Ростова (RU).
Это бесспорный научный факт, теоретизированный два столетия назад известными физиками, такими как Максвелл, Больцман, Клаузиус и другими, что на молекулярном уровне доступно большое количество кинетической энергии, связанной с абсолютной температурой (кинетическая теория материи).Однако на техническом уровне еще не было найдено способа согласовать эту энергию, чтобы ее можно было эффективно преобразовать в электрическую энергию для практического использования, несмотря на то, что многие эксперименты уже продемонстрировали, что это возможно.

TEC-Chip - это микроэлемент, непрерывно преобразующий тепловую (кинетическую) в электрическую энергию, которая обеспечивает полезный выход энергии; Tec-CHIP буквально использует существующую внутреннюю молекулярную энергию и преобразует ее в непрерывную, безуглеродную, чистую электрическую энергию.

Эти элементы / «микросхемы», которые будут производиться методами, аналогичными производству полупроводников. Каждый TEC-Chip обеспечивает полезную мощность через небольшие корпуса размером 100 мкм * 100 мкм каждый. Массивы TEC-чипов смогут преобразовывать доступное тепло и обеспечивать электроэнергией сеть или напрямую почти любое вообразимое устройство: портативные устройства, холодильники, гибридные и электрические транспортные средства, системы кондиционирования воздуха, компьютеры, бытовую технику,… источник энергии от непрерывного молекулярного движения, исключительный аспект этих клеток заключается в непрерывном обеспечении энергией путем преобразования тепловой энергии в электричество из любого окружающего источника.Полученные в результате продукты позволят обеспечить постоянное охлаждение или доступ к электроэнергии в любом месте по доступной цене. Технология TEC-Chip основана на надежных научных принципах и стала возможной с появлением микроэлектроники и нанотехнологий.

Рисунок: изображение одного из тестируемых микроэлементов.

Каково текущее состояние проекта?

a) Ячейка ТЕС полностью разработана, и материалы определены.

b) Некоторые грубые образцы, имеющие немного отличающуюся структуру и материалы от оригинальной конструкции TEC-Chip, были изготовлены в Италии и успешно прошли испытания в лаборатории Ростовского университета (Ру). 3

Теоретически мы ожидаем получить источники питания мощностью в несколько ватт, размеры которых не превышают размер батареи мобильного телефона.Это открывает путь к огромному количеству применений элемента TEC-Chip, начиная от источников питания для портативных датчиков или небольших электронных устройств до более крупных и мощных источников энергии, подходящих для питания гибридных транспортных средств, домов (TEG могут быть размещены под поверхность крыш или контактирующая с котлами…), дата-центры, промышленные и коммерческие здания,…

Электрогенераторы

на основе TEC-Chip также могут применяться для рекуперации отработанного тепла промышленных процессов, двигателей, работающих на ископаемом топливе, атомных электростанций, а также для производства электроэнергии с использованием любых теплогенераторов.Более того, любая поверхность, подверженная воздействию солнечного света, может стать источником полезного электричества (крыши, фотоэлектрические поля, тротуары улиц, стены зданий и т. Д.).

Следующие шаги

Следующие шаги (Начальная форма TRL 3, уже достигнута).
1. Изготовление нескольких различных прототипов базовой ячейки TEC-Chip и проверка их работоспособности (TRL 4). Детальное проектирование ТЕС-ячеек уже завершено.
2. Улучшение термоэлектрических характеристик микроструктур базовой ячейки и разработка лабораторных прототипов как охлаждающих элементов, так и термоэлектрических генераторов (TRL 5).
3. Развитие базовой ячейки TEC-Chip до оптимальных характеристик для различных целевых сред. Создание нескольких рабочих прототипов ТЭГ различных термоэлектрических генераторов, подходящих для целевых областей применения (TRL 6 и 7): преобразование / рекуперация тепла от бытовых котлов, выхлопных газов транспортных средств, отходящего тепла от электростанций и промышленных объектов, тепла, производимого человеческое тело, тепло от любой поверхности, подверженной воздействию солнца, тепло от существующих фотоэлектрических полей,…

Рисунок: TRL, определенные Комиссией ЕС.

После демонстрации действующего прототипа в докоммерческом масштабе (TRL 7) можно будет продавать права на технологию подходящим промышленным предприятиям по всему миру и совместно разрабатывать доиндустриальные прототипы (в TRL 8-9 ) обоих:
a) ячеек TEC-Chip;
b) различные виды термоэлектрических генераторов и охлаждающих устройств (например, системы кондиционирования воздуха), основанные на технологии TEC-Chip.

Термоэлектрический генератор энергии | Британника

Термоэлектрический генератор энергии , любой из класса твердотельных устройств, которые либо преобразуют тепло непосредственно в электричество, либо преобразуют электрическую энергию в тепловую для нагрева или охлаждения.Такие устройства основаны на термоэлектрических эффектах, включающих взаимодействие между потоками тепла и электричества через твердые тела.

Все термоэлектрические генераторы имеют одинаковую базовую конфигурацию, как показано на рисунке. Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло течет через термоэлектрический преобразователь к радиатору, который поддерживается на уровне ниже температуры источника. Разница температур на преобразователе создает постоянный ток (DC) к нагрузке ( R L ), имеющей напряжение на клеммах ( В, ) и ток на клеммах ( I ).Промежуточного процесса преобразования энергии нет. По этой причине производство термоэлектрической энергии классифицируется как прямое преобразование энергии. Количество произведенной электроэнергии определяется как I 2 R L или V I .

Детали термоэлектрического генератора.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Уникальным аспектом термоэлектрического преобразования энергии является то, что направление потока энергии является обратимым.Так, например, если нагрузочный резистор удален и заменен источник питания постоянного тока, термоэлектрическое устройство, показанное на рисунке, можно использовать для отвода тепла от элемента «источника тепла» и снижения его температуры. В этой конфигурации вызывается обратный процесс преобразования энергии термоэлектрических устройств, в котором электроэнергия используется для перекачки тепла и производства холода.

Эта обратимость отличает термоэлектрические преобразователи энергии от многих других систем преобразования, таких как термоэлектронные преобразователи энергии.Входная электрическая мощность может быть напрямую преобразована в перекачиваемую тепловую энергию для обогрева или охлаждения, или входная тепловая мощность может быть преобразована непосредственно в электрическую энергию для освещения, эксплуатации электрического оборудования и других работ. Любое термоэлектрическое устройство может применяться в любом режиме работы, хотя конструкция конкретного устройства обычно оптимизируется для его конкретного назначения.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Систематические исследования термоэлектричества начались примерно между 1885 и 1910 годами.К 1910 году немецкий ученый Эдмунд Альтенкирх удовлетворительно рассчитал потенциальную эффективность термоэлектрических генераторов и определил параметры материалов, необходимых для создания практических устройств. К сожалению, металлические проводники были единственными доступными материалами в то время, что делало невозможным создание термоэлектрических генераторов с КПД более 0,5 процента. К 1940 году был разработан полупроводниковый генератор с коэффициентом преобразования 4%.После 1950 года, несмотря на активизацию исследований и разработок, повышение эффективности выработки термоэлектрической энергии было относительно небольшим: к концу 1980-х годов КПД не превышал 10 процентов. Для того, чтобы выйти за пределы этого уровня производительности, потребуются более качественные термоэлектрические материалы. Тем не менее, некоторые маломощные разновидности термоэлектрических генераторов зарекомендовали себя как имеющие большое практическое значение. Источники питания, работающие на радиоактивных изотопах, являются наиболее универсальными, надежными и обычно используемыми источниками энергии для изолированных или удаленных объектов, например для записи и передачи данных из космоса.

Основные типы термоэлектрических генераторов

Термоэлектрические генераторы энергии различаются по геометрии в зависимости от типа источника тепла и радиатора, потребляемой мощности и предполагаемого использования. Во время Второй мировой войны некоторые термоэлектрические генераторы использовались для питания портативных передатчиков связи. В период с 1955 по 1965 год в полупроводниковых материалах и электрических контактах были внесены существенные улучшения, которые расширили практический диапазон применения. На практике для многих устройств требуется стабилизатор мощности для преобразования выходного сигнала генератора в пригодное для использования напряжение.

Генераторы были построены для использования природного газа, пропана, бутана, керосина, топлива для реактивных двигателей и древесины, и это лишь некоторые из источников тепла. Коммерческие блоки обычно имеют диапазон выходной мощности от 10 до 100 Вт. Они предназначены для использования в удаленных районах в таких приложениях, как навигационные средства, системы сбора данных и связи, а также катодная защита, которая предотвращает коррозию металлических трубопроводов и морских сооружений электролизом.

Солнечные термоэлектрические генераторы с некоторым успехом использовались для питания небольших ирригационных насосов в отдаленных и слаборазвитых регионах мира.Описана экспериментальная система, в которой теплая поверхностная вода океана используется в качестве источника тепла, а более холодная вода глубинного океана - в качестве поглотителя тепла. Солнечные термоэлектрические генераторы были разработаны для снабжения электроэнергией орбитальных космических аппаратов, хотя они не смогли конкурировать с кремниевыми солнечными элементами, которые имеют более высокий КПД и меньший удельный вес. Однако были рассмотрены системы с тепловым насосом и генерацией энергии для теплового контроля орбитальных космических аппаратов.Используя солнечное тепло со стороны космического корабля, ориентированной на Солнце, термоэлектрические устройства могут генерировать электроэнергию для использования другими термоэлектрическими устройствами в темных областях космического корабля и для отвода тепла от корабля.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *