Термоэлектрические генераторы: Термоэлектрические генераторы — RIF — Мир Антенн

Содержание

Генераторы термоэлектрические

Мы создаём энергию

Обеспечение максимальной надежности электропитания удаленных объектов является приоритетной задачей компании. Инженерный отдел предоставляет консультации и рекомендации для выбора наилучшего варианта электропитания, помогает избежать дорогостоящих и трудоёмких проектных ошибок при выборе системы электропитания. Среди наиболее частых ошибок:

— применение автономных источников питания удалённых объектов как стандартных сетевых источников;

— игнорирование сравнения эксплуатационных затрат различных видов автономных источников;

— выбор ненадежного источника питания для ответственных потребителей;

— неправильная оценка профилей нагрузок;

— неправильный выбор буферных аккумуляторов;

— невыполнение нормативных требований.

Термоэлектрические генераторы серии ГТЭГ компании Экоген обеспечивают надежное и экономичное автономное электроснабжение в самых отдаленных и экологически сложных местах нашей планеты. Экоген занимает лидирующие позиции в производстве и поставках термоэлектрических генераторов с наивысшей эффективностью и мощностью. до 1000 Вт. На базе генераторов строят автономные источники электропитания с мощностью до 10 кВт.

Генераторы компании Экоген осуществляют прямое преобразование тепловой энергии в электричество, не содержат в своей конструкции вращающихся и изнашиваемых деталей, не требуют проведения сервисных работ более 1 года. Генераторы работают на природном газе, пропане или сжиженном нефтяном газе.

Экоген предлагает полный спектр решений для надежной промышленной энергетики в отдаленных районах.

Когда питание недоступно или сетевое питание ненадежно, ГТЭГ может обеспечить экономически эффективное удаленное решение для вашего промышленного объекта.

Некоторые области применения:

Морские платформы

Термоэлектрический генератор является идеальным решением для суровых и сильно агрессивных условий морских платформ. Они обеспечивают первичное питание безлюдных платформ и резервное питание платформ с персоналом, в том числе в опасных условиях от Арктики до тропиков.

Аппаратура диспетчерского управления и сбора данных (SCADA)

Электропитание диспетчерских систем управления и сбора данных (SCADA) для мониторинга, измерения и управления оборудованием в полевых условиях. Термоэлектрические генераторы используются для бесперебойного электропитания телеметрических установок, газоанализаторов, измерительного оборудования, аппаратуры аварийного отключения и многого другого.

Автоматизация клапанов и задвижек

Термоэлектрические генераторы обеспечивают питанием различные исполнительные механизмы на трубопроводах: от управления электромагнитными клапанами до систем приведения в действие распределительных клапанных станций. ГТЭГ обеспечивают надежное автономное питание оборудования дистанционного управления и мониторинга.

Катодная защита

Когда коррозия на удалённых объектах нефте-газодобывающей промышленности является проблемой, катодная защита с питанием от ГТЭГ является решением. Термоэлектрические генераторы обеспечивают надежный и экономичный источник постоянного тока для минимизации коррозии трубопроводов.

Охрана и видеонаблюдение

По сравнению с большинством электрогенераторов ГТЭГ отлично подходят для систем безопасности и наблюдения в удаленных от электросетей районах. Подключение к информационным сетям в отдаленных районах часто бывает проблемой из-за отсутствия надёжного электропитания. ГТЭГ решает эту проблему, предлагая надежное и непрерывное автономное питание в любых условиях.

Термоэлектрический генератор (ГТЭ, ТЭГ) — ТЕРМОИНТЕХ

Генератор Термоэлектрический (ГТЭ) — Описание

ГТЭ мощностью 200-400 Вт предназначены для электроснабжения потребителей постоянным током напряжением 12, 24 или 48 В. В основе работы ГТЭ лежит эффект Зеебека – прямое преобразование тепловой энергии (от сгорания газового топлива) в электроэнергию. ГТЭ представляет собой устройство, включающее в себя основные элементы, необходимые для его работы: газовую горелку, камеру сгорания газового топлива, теплоприемник, термоэлектрический модуль, радиатор, смонтированные на общей раме с конструкцией, обеспечивающей прижим термоэлектрических модулей с усилием 70-100 кг/см

2 к поверхности теплоприемника и радиатора. При нагревании одной стороны термоэлектрического модуля и охлаждении другой стороны, на контактах возникает напряжение (ЭДС). Топливом для ГТЭ служит природный газ по ГОСТ 5542 или пропан.

ГТЭ предназначены для следующих условий эксплуатации:

рабочее значение температуры воздуха при эксплуатации от минус 40 до плюс 50 °С;
относительная влажность воздуха до 98% при 25 °С;
высота над уровнем моря не более 4000 м;
запыленность воздуха, г/м3, не более: 0,5 – для воздуха в помещении с установленным ГТЭ;

наклон относительно горизонтальной поверхности не допускается.

Номинальная мощность ГТЭ обеспечивается при температуре окружающего воздуха до 20 °С при атмосферном давлении до 89,9 кПа на высоте до 1000 м над уровнем моря.

Повышение температуры окружающей среды более 20 °С даст снижение мощности не более 0,5% на 1 °С.

ГТЭ мощностью 200 Ватт является единичным неразборным изделием (разборка производится только для замены модулей). ГТЭ мощностью 400 Вт состоит из двух генераторов ГТЭ(в)200 в общем кожухе.

Схема условного обозначения термоэлектрического генератора ГТЭ(в)200-24А

ГТЭ	генератор термоэлектрический
в	с воздушным охлаждением
200 (400)	рабочая мощность ГТЭ, Вт
24 (12, 48 и др.)	рабочее напряжение ГТЭ, В. Заводская установка 24 В
А (с автоматикой)	обозначение исполнения ГТЭ (П, Р, РЭЗ, А, АТ)

Варианты буквенной маркировки генератора:

П – комплект потребителя. На колодку клеммную выведены провода от модулей, термопар, установлены 1-2 диода для коммутационной развязки, контакты диодов (2-3 шт.) также выведены на клеммы, заводская коммутация на 12 или 24 В. Линия подачи газа отсутствует. Установлена система розжига на 12 или 24 В. Контакты питания розжига также выведены на колодку клеммную. Ответственность за эксплуатацию генератора с литерой «П» несет потребитель.

Р – ГТЭ с ручным управлением. Дополнительно укомплектован: линией подачи газа в составе вентиль, фильтр, э/м клапан с ручным взводом и термопарой (вместо термопары контроля пламени), игольчатый клапан (регулятор давления), манометр. Элементы розжига отсутствуют. Розжиг осуществляется вручную. Возможна установка визуальных органов контроля (вольтметр, амперметр). Ответственность за эксплуатацию генератора с литерой «Р» несет потребитель.

РЭЗ – ГТЭ с ручным управлением, электро-розжигом и защитой. Дополнительно к ГТЭ с литерой «Р» укомплектован: вместо э/м клапана с ручным взводом и термопарой э/м клапан на 12 или 24 В, измеритель-регулятор температуры (2-4 канала с релейными выходами). Управление режимом работы генератора осуществляется вручную, с визуальным контролем температуры/напряжения/тока. Оборудован защитой от перегрева и затухания пламени, обеспечивается аварийный останов.

А – с автоматикой. Укомплектован: Линией подачи газа (вентиль, фильтр, э/м клапан, игольчатый клапан, манометр или датчик давления), автоматической защитой от погасания пламени, перегрева. Возможны варианты комплектации автоматики.

АТ – с автоматикой и БСНАУ «ТЕРМОИНТЕХ». Укомплектован: Линией подачи газа (вентиль, фильтр, э/м НЗ клапан, игольчатый клапан с электроприводом), электроприводом заслонки вторичного воздуха, блоком управления и мониторинга БСНАУ «ТЕРМОИНТЕХ».

Технические характеристики ГТЭ

Генератор термоэлектрический (ГТЭ)		ГТЭ (в)-200		ГТЭ (в)-400
Номинальная мощность, Вт		200 ± 40		400 ± 40
Режим потребления на собственные нужды		постоянно	пиковый (розжиг)	постоянно	пиковый (розжиг)
Потребляемая мощность собственных нужд, Вт, не более	с э/м клапаном	30	70	60	100
Потребляемая мощность собственных нужд, Вт, не более	без э/м клапана	5	45	10	50
Рабочая температура окружающей среды, °С		От — 40 до + 50
Номинальная температура окружающей среды, °С		20
Номинальное напряжение, В		12, 24, 48		12, 24, 48
Номинальный ток, А 12 В 24 В 48 В		16 8 –		32 16 8
Ток короткого замыкания, А 12 В 24 В 48 В		48 24 –		96 48 24
Стойкость к токам короткого замыкания		Режим КЗ не критичен для ГТЭ
Время выхода на номинальный режим, мин., не более		40		40
Время восстановления напряжения при сбросе/набросе 100% симметричной нагрузки, сек, не более		2		2
Электрическое сопротивление изоляции, МОм, не менее		1		1
Расход природного газа при номинальной нагрузке, не более, нм³/ч		1,2		2,1
Усилие сжатия модуля между теплоприемником и радиатором, кг/см²		70-100
Рабочее давление газа на входе горелки, кПа		1,2-3,0
Максимальное давление на входе ГТЭ, кПа		10,0
Рабочая температура горячей стороны, °С		450-530
Рабочая температура холодной стороны, °С		115-125, или до 240 с потерей мощности
Максимальная температура горячей стороны, °С		580
Количество термоциклов, шт. не менее		20
Масса в упаковке, кг, не более		150		300
Срок службы, лет		15
Габаритные размеры, мм, не более:
Длина (глубина)		760		935,5
Ширина		390,5		831
Высота		907,5		2488,9

радиоизотопные и другие. Принцип работы генераторов энергии промышленного применения. Их устройство

Теплоэлектростанции признаны в мире как наиболее дешевый вариант получения энергии. Но существует альтернатива этому способу, которая отличается экологичностью, – термоэлектрические генераторы (ТЭГ).

Что это такое?

Термоэлектрический генератор – это приспособление, задача которого заключается в превращении тепловой энергии в электричество путем применения системы термических элементов.

Понятие «тепловая» энергия в данном контексте трактуется не совсем верно, так как тепло означает лишь метод превращения данной энергии.

ТЭГ представляет собой термоэлектрическое явление, которое впервые было проиллюстрировано немецким физиком Томасом Зеебеком в 20-ых годах 19 столетия. Результат исследования Зеебека трактуется как электрическое сопротивление в цепи из двух отличающихся материалов, однако весь процесс протекает лишь в зависимости от температуры.

Устройство и принцип работы

Принцип работы термоэлектрического генератора, или, как его еще называют, теплового насоса, основывается на преобразовании энергии тепла в электрическую энергию с использованием термических элементов полупроводников, которые связываются между собой параллельно или последовательно.

В ходе проведения исследований немецким ученым был создан совершенно новый эффект Пелтье, в котором указывается, что абсолютно разные материалы полупроводников при проведении спаивания дают возможность обнаружить отличие температур между их боковыми точками.

Но как же понять, как работает данная система? Все довольно-таки просто, такая концепция основана на определенном алгоритме: когда один из элементов охлаждают, а другой нагревают, то мы получаем энергию силы тока и напряжения. Главная особенность, которая выделяет из остальных именно этот метод, заключается в том, что тут могут использоваться всевозможные источники тепла, среди которых недавно отключенная плита, лампа, костер или даже чашка с только налитым чаем. Ну а охлаждающим элементом чаще всего является воздух или же обычная вода.

Как же устроены эти термические генераторы? Они состоят из специальных термических батареек, которые изготавливают из материалов проводников, и тепловых обменников разнородных температур спаев термобатарей.

Схема электрической цепи выглядит следующим образом: термоэлементы полупроводников, ветви прямоугольной формы n- и p-типа проводимой способности, соединенные пластины холодных и горячих сплавов, а также высокая нагрузка.

Среди положительных сторон термоэлектрического модуля отмечают возможность использовать абсолютно во всех условиях, в том числе и в походах, да и к тому же легкость транспортировки. Более того, в них отсутствуют подвижные детали, которые имеют свойство быстро изнашиваться.

А к недостаткам относят далеко не низкую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (приблизительно 2–3%), а также важность еще одного источника, который обеспечит рациональный перепад температур.

Следует отметить, что ученые активно работают над перспективами усовершенствования и устранения всех погрешностей в получении энергии таким способом. Продолжаются эксперименты и исследования по разработке наиболее эффективных термических батареек, которые помогут повысить значение коэффициента полезного действия.

Однако довольно сложно определить оптимальность этих вариантов, так как они базируются исключительно на практических показателях, не имея при этом теоретического обоснования.

Учитывая все недостатки, а именно, несоответствие материалов для сплавов термобатареек, говорить о прорыве в ближайшем будущем довольно сложно.

Существует теория, что на современном этапе физиками будет использоваться технологически новый метод замены сплавов на более эффективные, в отдельности с внедрением нанотехнологий. Более того, возможен вариант использования нетрадиционных исходников. Так, в университете Калифорнии был проведен эксперимент, где термические батарейки заменили синтезированной искусственной молекулой, которая выступала как связующий материал золотых микроскопических полупроводников. Согласно проведенным опытам стало ясно, что результативность нынешних исследований покажет лишь время.

Обзор типов

В зависимости от методов получения электроэнергии, источников тепла, а также от разновидностей задействованных структурных элементов все термоэлектрические генераторы бывают на нескольких видов.

Топливные. Получают тепло от сжигания топлива, который представляет собой уголь, природный газ и нефть, а также тепло, полученное путем сгорания пиротехнических групп (шашек).

Атомные термоэлектрические генераторы, в которых источником выступает тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), зачастую здесь термический насос — вторая и третья ступени превращения.

Солнечные генераторы формируют тепло от солнечных коммуникаторов, которые известны нам в повседневной жизни (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Утилизационные генерируют тепло из всевозможных источников, в результате чего выделяется отходное тепло (выбросные и топочные газы и прочее).

Радиоизотопные получают тепло путем распада и расщепления изотопов, данный процесс характеризуется неконтролируемостью самого расщепления, и результатом выступает момент полураспада элементов.

Градиентные термоэлектрические генераторы базируются на перепаде температур без каких-либо вмешательств извне: между окружающей средой и местом проведения эксперимента (специально оснащенным оборудованием, промышленным трубопроводом и т. д.) с использованием исходного отправного тока. Приведенный тип теплоэлектрического генератора был использован с утилизацией полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для превращения в тепловую энергию согласно закону Джоуля-Ленца.

Сферы применения

Из-за низкого коэффициента полезного действия термоэлектрические генераторы широко используются там, где отсутствуют какие-либо другие варианты источников энергии, а также во время процессов со значительной нехваткой тепла.

Дровяные печи с электрогенератором

Данное устройство характеризуется наличием эмалированной поверхности, источника электроэнергии, в том числе и обогревателя. Мощности такого приспособления может хватить для того, чтобы зарядить мобильное устройство или же другие девайсы с помощью гнезда прикуривателей для автомобилей. Исходя из параметров, можно сделать вывод, что генератор способен работать без обычных условий, а именно, без наличия газа, отопительной системы и электричества.

Термоэлектрические генераторы промышленного производства

Фирмой BioLite была представлена новая модель для походов – портативная печка, которая позволит не только разогреть еду, но и зарядить ваше мобильное устройство. Все это возможно благодаря встроенному в это приспособление термоэлектрическому генератору.

Данное устройство отлично вам послужит в походах, на рыбалке или же в любом месте, отдаленном от всех условий современной цивилизации. Работа генератора BioLite характеризуется сжиганием топлива, которое последовательно по стенкам передается и вырабатывает электричество. Получаемая электроэнергия позволит зарядить телефон или же подсветить светодиод.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

В них источником энергии выступает тепло, которое образуется в результате расщепления микроэлементов. Они нуждаются в постоянном снабжении топливом, поэтому имеют превосходство над другими генераторами. Однако их существенный недостаток заключается в том, что при работе необходимо соблюдать правила безопасности, так как имеет место излучение ионизированными материалами.

Несмотря на то что запуск таких генераторов может быть опасен, в том числе и для экологической ситуации, их использование довольно распространено. Например, их утилизация возможна не только на Земле, но и в космосе. Известно, что радиоизотопные генераторы применяются для заряда навигационных систем, чаще всего в местах, где отсутствуют системы связи.

Термические микроэлементы

Термобатарейки выступают как преобразователи, а также их конструкцию составляют электроизмерительные приборы, калиброванные в Цельсиях. Погрешность в таких приборах обычно приравнивается к 0,01 градусам. Но необходимо отметить, что данные устройства разработаны для использования в диапазоне от минимальной черты абсолютного нуля и до 2000 градусов по Цельсию.

Термические электрогенераторы в последнее время получили широкую популярность при работе в труднодоступных местах, которые полностью лишены систем связи. К этим локациям относится и Космос, где данные устройства все чаще используются в виде альтернативных источников электропитания на борту космических средств.

В связи с развитием научно-технического прогресса, а также углубленными исследованиями в физике получает популярность применение термоэлектрических генераторов в транспортных средствах для восстановления энергии тепла, чтобы переработать вещества, которые извлекают из вытяжных систем автомобилей.

В следующем видео представлен обзор современного термогенератора электричества для похода BioLite energy everywhere.

S&PF MODUL — Принцип работы термоэлектрического генератора

Термоэлектрические генераторы

1. Общие сведения

Обычно, термоэлектрические генераторы находят свое применение в приложениях, где необходимо получить не требующий обслуживания источник питания электронного оборудования небольшой мощности и есть постоянная разница температур.

Термоэлектрические генераторы находят все больше применений в различных сферах деятельности человека, таких как:

— питание автономного оборудования;

— автомобильная промышленность;

— медицина;

— космическая отрасль;

— устройства бытового назначения.

Термоэлектрический генератор – устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую. Принцип действия термоэлектрического генератора основан на эффекте Зеебека, суть которого заключается в возникновении ЭДС при наличии разницы температур на спаях термоэлектрической пары (рисунок 1).

Рисунок 1 – Принцип действия термоэлектрического генератора.

В стандартном исполнении термоэлектрический генератор представляет из себя теплоприемник (металлическая пластина, воздушный или жидкостной теплообменник), термоэлектрический генераторный модуль и система отвода тепла (воздушного либо жидкостного типа).

Преимуществом таких источников электрической энергии перед классическими являются длительный срок эксплуатации без необходимости дополнительного обслуживания, простая система преобразования получаемой электрической мощности, возможность использования «бросового» тепла, возможность использования при любой пространственной ориентации, небольшие габаритные размеры.

При выборе термоэлектрического генераторного модуля для получения необходимых параметров в определенных условиях необходимо придерживаться нижеприведенных положений.

2. Основы расчета характеристик генератора

При наличии разницы температур на гранях термоэлектрических генераторных модулей (ТГМ) появится разница потенциалов Uoc.

При подключении нагрузки к выводам ТГМ через цепь протечет ток, величина которого рассчитывается по формуле:

где:

U_oc – напряжение холостого хода;

R_in – внутреннее сопротивление модуля;

R_load – сопротивление нагрузки.

Мощность на нагрузке рассчитывается по следующей формуле:

Для получения максимальной мощности, сопротивление оптимальной нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению ТГМ (R_opt=R_in).

В таком случае, ток и напряжение на оптимальной нагрузке рассчитывается как:

где I_sc – ток короткого замыкания.

Мощность на оптимальной нагрузке рассчитывается по следующей формуле:

В зависимости от задачи генераторный модуль можно использовать в двух режимах:

1. Режим максимальной мощности – режим, который обычно используется при преобразовании бросового тепла в электрическую энергию.

2. Режим максимальной эффективности – режим, при котором максимально используется проходящее через модуль тепло при преобразовании его в электрическую энергию.

Рисунок 2 – Зависимость мощности и эффективности от разницы температур

Наибольшая эффективность ТГМ может быть получена при сопротивлении нагрузки Rη max, причем Rmaxη≠Ropt (рисунок 2).

Рисунок 3 – Зависимость мощности на нагрузке и эффективности ТГМ от сопротивления нагрузки

Напряжение разомкнутой цепи, сопротивление ТГМ и вырабатываемая мощность будут зависеть от температур на горячей и холодной гранях ТГМ (Рисунок 4-6).

Рисунок 4 – Зависимость напряжения разомкнутой цепи от температур на гранях модуля

Рисунок 5 – Зависимость внутреннего сопротивления от температур на гранях ТГМ

Рисунок 6 – Зависимость мощности на оптимальной нагрузке от температур на гранях модуля

При параллельно-последовательном соединении модулей в батарею из n цепочек по m модулей термо-ЭДС и внутренне сопротивление батареи рассчитывается по следующим формулам:

где:

U_oc – напряжение разомкнутой цепи;

R_in– внутреннее сопротивление модуля;

Схема параллельно-последовательного соединения ТГМ представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Параллельно-последовательное соединение ТГМ в батарею

Ток, напряжение и мощность на оптимальной нагрузке, в таком случае, рассчитывается как:

Экспериментальное исследование характеристик отопительно-варочной термоэлектрической печи | Никитин

1. Rowe D.M. CRC Handbook of Thermoelectrics. CRC Press., 1995. 701 p.

2. Rowe D., Min G. Evaluation of thermoelectric modules for power generation // J. Power Sources. 1998. Vol. 73. P. 193–193.

3. Chen M., Lund H., Rosendahl L., Condra T.J. Energy efficiency analysis and impact evaluation of the application of thermoelectric power cycle to todays CHP systems // Appl. Energy. 2010. Vol. 87. P. 1231–1238.

4. Yazawa K., Shakouri A. Cost-efficiency trade-off and the design of thermoelectric power generators // Environ. Sci. Technol. 2011. Vol. 45. P. 7548–7553.

5. Правдинский завод электрического оборудования. Электронный ресурс: http://позит.рф

6. Термоэлектрическая печь «Вега». Электронный ресурс: http://ecovolt.ru/upload/Manual_VEGA.pdf

7. Devil Watt™ TEG Power Wood Stove Thermoelectric Generator. Электронный ресурс: /www.tegpro.com

8. Power Module Installation Notes. Электронный ресурс: www.thermonamic.com

9. Champier D., Bedecarrats J.P., Kousksou T., Rivaletto M., Strub F., Pignolet P. Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove // Energy. 2011. Vol. 3. P.1518–1526.

10. Goldsmid H. Bismuth telluride and its alloys as materials for thermoelectric generation // Materials. 2014. Vol. 7. P. 2577–2592.

11. Анатычук Л.И., Михайловский В.Я. Термоэлектрические генераторы на жидком и газообразном топливе, современное состояние и перспективы // Термоэлектричество. 2007. № 4. С. 9–25.

12. Коротков А.С., Лобода В.В. Моделирование и экспериментальное исследование термоэлектрических генераторов // Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника. 2016. № 1 (161). С. 53–57.

13. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания // Компоненты и технологии. 2010. № 12. C. 131– 138.

14. Wang Y., Dai C., Wang S. Theoretical analysis of a thermoelectric generator using exhaust gas of vehicles as heat source // Appl. Energy. 2013. Vol. 112. P. 1171–1180.

15. Башмаков И.А. Потенциал энергосбережения в России // Энергосбережение. 2008. № 1. C. 28–35.

16. Печь «Индигирка». Электронный ресурс: http://www.termofor.ru/catalog/model/pechi_portativnie/indigirka/

17. Гладиков А.А., Щеклеин С.Е. Повышение надежности систем катодной защиты магистральных газопроводов за счет ВИЭ // Сборник материалов Всероссийской конференции «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Екатеринбург: УрФУ, 2012. С. 61–63.

18. Montecucco А., Siviter J., Knox A.R. Constant heat characterisation and geometrical optimization of thermoelectric generators // Applied Energy. 2015. Vol. 149. P. 248–258.

19. Orr B., Singh B., Tan L., Akbarzadeh A. Electricity generation from an exhaust heat recovery system utilising thermoelectric cells and heat pipes // Appl. Therm. Eng. 2014. Vol. 73. P. 586–595.

20. Jang J.C., Chi R.G., Rhi S.H., Lee K.B., Hwang H.C., Lee J.S., et al. Heat pipe-assisted thermoelectric power generation technology for waste heat recovery // J. Electron. Mater. 2015. Vol. 44. P. 2039–2047.

21. Orr B., Akbarzadeh A., Mochizuki M., Singh R. Simulation and experimental study on thermal optimization of the heat exchanger for automotive exhaust-based thermoelectric generators // Case Studies in Thermal Engineering. 2014. Vol. 4. P. 85–91.

22. Щеклеин С.Е., Стариков Е.В., Немихин Ю.Е., Никитин А.Д., Жуков А.В., Коржавин С.А. Экспериментальное исследование пародинамических систем охлаждения критических элементов в аварийных ситуациях // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2015. № 8–9. С. 86–92.

Уникальный материал для альтернативной энергетики создают в России

https://ria.ru/20210603/miet-1735227003.html

Уникальный материал для альтернативной энергетики создают в России

Уникальный материал для альтернативной энергетики создают в России — РИА Новости, 03.06.2021

Уникальный материал для альтернативной энергетики создают в России

Ученые Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ МИЭТ) приступили к разработке уникальных наноматериалов, которые позволят эффективно получать… РИА Новости, 03.06.2021

2021-06-03T09:00

наука

университетская наука

навигатор абитуриента

национальный исследовательский университет «миэт»

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn25.img.ria.ru/images/07e4/0b/06/1583411531_0:320:3072:2048_1920x0_80_0_0_0c68f7fc93d65cd818e228e94b500a5b.jpg

МОСКВА, 3 июн — РИА Новости. Ученые Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ МИЭТ) приступили к разработке уникальных наноматериалов, которые позволят эффективно получать электроэнергию, используя перепад температур. По их словам, проект, рассчитанный до 2023 года, может радикально расширить возможности этого направления альтернативной энергетики. О старте проекта сообщили в пресс-службе вуза.Термоэлектрические генераторы – простые и надежные источники электроэнергии, не требующие обслуживания. Применяются такие системы, по словам специалистов, для питания метеостанций, маяков, сейсмических сканеров, автоматики на космических кораблях, субмаринах и буровых скважинах, а также для катодной защиты трубопроводов.Энергию такие системы черпают из перепада температур между горячим и холодным концами термоэлемента: в их основе лежит эффект Зеебека, то есть возникновение тока между двумя ветвями электрической цепи, имеющими разный химический состав и разную температуру в месте контакта. Недостаток подобных генераторов – низкий КПД, порядка 6-8%, и высокая стоимость энергии, около 30 долларов за 1 Ватт.Ключ к созданию термоэлектрогенераторов следующего поколения – новые материалы с низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, объяснили ученые. Традиционно используют предложенные советским академиком Иоффе твердые растворы полупроводников. В этих материалах атомы разных элементов выстраиваются в общую кристаллическую решетку с переменной структурой, что, по словам ученых, позволяет снизить теплопроводность без больших потерь в электропроводности.Специалисты НИУ МИЭТ предложили за счет применения нанотехнологий усовершенствовать устаревший подход Иоффе. Цель нового проекта ученых университета – всесторонне изучить проблемы и преимущества различных типов наноструктур, которые можно создать на основе твердых растворов полупроводников.Новые термоэлектрические генераторы, как считают ученые, смогут стать отличной альтернативой ветрякам и солнечным батареям, которые требуют целый ряд условий для эффективной работы. Планируемый предел рабочих температур новых материалов – более 900 °С.»Для управления составом, структурой и параметрами обработки новых материалов нужно детально изучить их тепло- и электрофизические параметры. Наноструктура не является равновесным состоянием материала, поэтому сделать ее устойчивой – например, к регулярному нагреву почти до тысячи градусов – непростая задача», – отметил профессор Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Юрий Штерн.Работы над технологией получения новых термоэлектрических материалов планируется завершить в 2023 году. В проекте, поддержанном грантом РНФ № 21-19-00312, принимают активное участие аспиранты и молодые ученые НИУ МИЭТ.

https://ria.ru/20200416/1570082977.html

https://ria.ru/20210212/misis-1596967761.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn22.img.ria.ru/images/07e4/0b/06/1583411531_304:0:3035:2048_1920x0_80_0_0_664e58da49d72c60d03dd75a07a57cac.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

университетская наука, навигатор абитуриента, национальный исследовательский университет «миэт»

МОСКВА, 3 июн — РИА Новости. Ученые Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ МИЭТ) приступили к разработке уникальных наноматериалов, которые позволят эффективно получать электроэнергию, используя перепад температур. По их словам, проект, рассчитанный до 2023 года, может радикально расширить возможности этого направления альтернативной энергетики. О старте проекта сообщили в пресс-службе вуза.

Термоэлектрические генераторы – простые и надежные источники электроэнергии, не требующие обслуживания. Применяются такие системы, по словам специалистов, для питания метеостанций, маяков, сейсмических сканеров, автоматики на космических кораблях, субмаринах и буровых скважинах, а также для катодной защиты трубопроводов.

Энергию такие системы черпают из перепада температур между горячим и холодным концами термоэлемента: в их основе лежит эффект Зеебека, то есть возникновение тока между двумя ветвями электрической цепи, имеющими разный химический состав и разную температуру в месте контакта. Недостаток подобных генераторов – низкий КПД, порядка 6-8%, и высокая стоимость энергии, около 30 долларов за 1 Ватт.

16 апреля 2020, 09:00НаукаУченые нашли новый способ «приручить» энергию Солнца

Ключ к созданию термоэлектрогенераторов следующего поколения – новые материалы с низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, объяснили ученые. Традиционно используют предложенные советским академиком Иоффе твердые растворы полупроводников. В этих материалах атомы разных элементов выстраиваются в общую кристаллическую решетку с переменной структурой, что, по словам ученых, позволяет снизить теплопроводность без больших потерь в электропроводности.

Специалисты НИУ МИЭТ предложили за счет применения нанотехнологий усовершенствовать устаревший подход Иоффе. Цель нового проекта ученых университета – всесторонне изучить проблемы и преимущества различных типов наноструктур, которые можно создать на основе твердых растворов полупроводников.

«У термоэлектрических материалов должна быть очень низкая теплопроводность – примерно, как у стекла. Мы надеемся достичь этого благодаря снижению решеточной теплопроводности за счет создания особой наноструктуры. Если будет найден способ увеличить термоэлектрические свойства материалов хотя бы в два-три раза, значит, этот вид энергетики сравняется по эффективности с традиционными», – рассказал руководитель проекта, профессор Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Шерченков.

Новые термоэлектрические генераторы, как считают ученые, смогут стать отличной альтернативой ветрякам и солнечным батареям, которые требуют целый ряд условий для эффективной работы. Планируемый предел рабочих температур новых материалов – более 900 °С.

«Для управления составом, структурой и параметрами обработки новых материалов нужно детально изучить их тепло- и электрофизические параметры. Наноструктура не является равновесным состоянием материала, поэтому сделать ее устойчивой – например, к регулярному нагреву почти до тысячи градусов – непростая задача», – отметил профессор Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Юрий Штерн.

Работы над технологией получения новых термоэлектрических материалов планируется завершить в 2023 году. В проекте, поддержанном грантом РНФ № 21-19-00312, принимают активное участие аспиранты и молодые ученые НИУ МИЭТ.

12 февраля, 09:00НаукаМатериал из России в три раза увеличит емкость литий-ионных батарей

Альтернативная энергетика

Термоэлектрическое преобразование энергии

В термоэлектрических устройствах осуществляется прямое и обратное преобразование тепловой энергии в электричество, основанное на эффектах Зеебека, Пельте и Томсона. Данные эффекты проявляются в возникновении разности потенциалов в полупроводниковой структуре за счет диффузии носителей тока (электронов и дырок) при создании в ней градиента температуры, что используется в термоэлектрических генераторах электроэнергии, и, наоборот, в выделении или поглощении тепла при движении в такой структуре носителей тока. Последнее нашло применение в холодильных устройствах.

В термоэлектрических генераторах (ТЭГ) в качестве источников тепла может быть использовано органическое либо ядерное топливо, радиоактивные изотопы, рассеиваемое тело отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, промышленных установок и т.д.

Несмотря на относительно низкий КПД термоэлектрического преобразования энергии, который на текущий момент составляет 5-8%, благодаря отсутствию движущихся частей, бесшумности и надежности, позволяющей работать таким системам в необслуживаемом режиме в течение длительного срока эксплуатации, который может достигать десятилетий, ТЭГ нашли свое применение при создании резервных или аварийных источников электроэнергии в районах децентрализованного электроснабжения, в частности на Крайнем Севере, генераторов на органическом топливе для защиты трубопроводов от коррозии (станции катодной защиты) и питания газораспределительных пунктов. На сегодняшний день таким генераторам практически нет альтернативы при освоении дальнего космоса. Запущенные в 1977 году 2 аппарата программы Вояджер с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ) на борту, успешно исследовав дальние планеты Солнечной системы, в настоящее время продолжают передавать данные для исследования переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой, являясь самыми удалёнными, долго и продуктивно работающим космическими объектами, созданным руками человека.

В настоящее время для будущих космических программ разрабатываются новые более эффективные радиоизотопные термоэлектрические генераторы с большей удельной электрической мощностью и сроком службы.

Успешное применение термоэлектрического преобразования энергии в космических системах, высокая надежность РИТЭГ, огромное количество тепла, рассеиваемого в атмосфере, а также наметившийся мировой тренд на повышение энергоэффективности и экологичности технологий побуждают исследователей к расширению областей применения термоэлектрических генераторов, поиску и разработке новых более эффективных термоэлектрических материалов, оптимизации конструкторско-технологических решений, снижению стоимости подобных систем. В 2006 году, например, для изучения Плутона и его спутника Харона запущена автоматическая межпланетная станция «Новые рубежи» с РИТЭГ на борту.

Одним из направлений работы НОЦ «Функциональные микро/наностстемы» (НОЦ ФМНС) МГТУ им. Н.Э. Баумана в данной области является разработка термоэлектрических генераторов, преобразующих рассеиваемое тепло транспортных энергетических установок и промышленных предприятий в электроэнергию.

В 2016 году совместно с кафедрой «Поршневые двигатели» был закончен проект по разработке экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения. Проект направлен на повышение эффективности работы двигателя путем утилизации части тепловой энергии, выделяющейся с выхлопными газами, доля которой составляет до 37% энергии сгораемого топлива. Часть этой энергии может быть преобразована в полезную работу путем установки в выпускной системе термоэлектрического генератора, который позволяет повысить его энергоэффективность, снизить расход потребляемого топлива до 7%, а в некоторых случаях отказаться от штатного генератора.

В рамках проекта была разработана математическая модель ТЭГ для ДВС, учитывающая в комплексе совокупность гидравлических, тепловых, электрических и механических процессов в силовой установке. Модель позволяет проводить расчет генераторов как с воздушным, так и водяным охлаждением, учитывает затраты электрической мощности на работу управляющей электроники, позволяет учитывать обратное влияния ТЭГ на ДВС за счёт создания гидравлического сопротивления в канале движения выхлопных газов, выбирать наиболее эффективные конструкции теплообменников для различных типов ДВС, включая стационарные установки.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, который позволяет определять параметры математической модели и проводить её верификацию, исследовать особенности работы и производить доводку термоэлектрического генератора при установке его на различные двигатели. Входящие в состав стенда ступичный мощностной стенд и нагрузочное устройство позволяют проводить испытания ТЭГ в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля. Разработаны и изготовлены макеты ТЭГ для легковых и грузовых автомобилей мощностью: до 500 Вт и до 1 кВт.

Стоит отметить, что разработку автомобильных термоэлектрических генераторов ведут практически все крупнейшие мировые автопроизводители, включая Ford, GM, Toyota, BMW, Mercedes. Вместе с тем в настоящее время отсутствуют серийные образцы таких генераторов, что обусловлено необходимостью разрешения при проектировании эффективных систем множества технических противоречий, как, например, обеспечение в ограниченных габаритах одновременно интенсивного потока тепла через термоэлементы и малого гидравлического сопротивления. Разрешение этих противоречий требует комплексного всего множества процессов преобразования энергии в таком генераторе.

В рамках выполненного проекта были предложены пути преодоление конфликта между положительным и негативным влиянием ТЭГ на ДВС, разработана методика рационального проектирования конструкции теплообменника, а также разработаны отельные конструкторско-технологические решения, повышающие эффективность установки автомобильных ТЭГ, включая применения теплообменника с изменяемой геометрией рёбер для снижения сопротивления при больших скоростях ОГ и повышения теплового потока при малых скоростях.

Помимо разработки законченных термоэлектрических систем преобразования энергии в НОЦ ФМНС также ведутся работы по разработке конструкторско-технологических решений, направленных на повышение эффективности и надежности термоэлектрических модулей как холодильного, так и генераторного назначения, разработке методик измерения физико-механических свойств полупроводниковых термоэлектрических материалов, термоэлементов и термоэлектрических батарей, а также разработке методик контроля технологического процесса их изготовления, включая оценку показателей надежности.

Домашний термоэлектрический генератор Модули ТЭГ 100 Вт дровяной генератор

Технология TEG Generator POWER имеет свои сильные стороны. Поскольку плотность мощности очень велика, можно производить небольшие термоэлектрические генераторы. Например, сборка ТЭГ на 100 Вт может уместиться примерно в двадцатую часть пространства, необходимого для эквивалентной солнечной батареи. Кроме того, производительность составляет 24 часа в сутки при наличии источника тепла и отвода холода. Таким образом, фактическая выходная мощность может в 6-7 раз превышать мощность 100-ваттной солнечной батареи.Чтобы сделать эту технологию дешевой в эксплуатации, необходимо сбросное тепло, которое по определению является бесплатным. Ключевые слова: «Энергогенератор WASTE HEAT TEG». За последние 30 лет компания TEC разработала новые конструкции с эффектом Зеебека для использования в термоэлектрических генераторах энергии. В 2020 году компания представила дровяной генератор Rabbit Ears мощностью 100 Вт. Лучший в своем классе запатентованный термоэлектрический генератор мощностью 100 Вт на дровяной печи, демонстрирующий превосходные характеристики и надежность. Система термоэлектрического генератора ТЭГ мощностью 100 Вт является выдающейся.Установка поставляется с дымоходом длиной 24 дюйма и диаметром 6 дюймов, который уже смонтирован для быстрой установки. Уникальный теплообменник «труба в трубе» обеспечивает превосходное охлаждение на холодной стороне, рассчитанный на максимальный DT, что позволяет достичь максимальной мощности ТЭГ. Поглотители тепла с обеих сторон трубы используют радиаторы для проникновения в дымовой поток, максимизируя поглощение тепла для превосходного производства энергии. Запатентованная конструкция является лучшей в своем классе и была разработана 30-летним ветераном в области термоэлектрических генераторов. Он поставляется с высокоэффективным насосом с магнитным приводом на 12 В постоянного тока и специально разработанным контроллером заряда постоянного тока с функциями ПЛК.

В системе справа используются трубы, обработанные PEX, для облегчения монтажа по трубопроводу, а также исключительная конструкция и универсальность ТЭГ. ПЛК может быть дополнен датчиком горячей стороны термопары для управления обратной подачей насоса. Пример: если температура печи ниже 100F, насос можно циклически включать и выключать, экономя ценную электроэнергию. ПЛК также имеет порт R-232 для подключения компьютера для программирования других функций. Будущие варианты включают автоматический огнетушитель, который будет выпускать инертную пищевую соду, если в верхней части дымохода начнется пожар.Эта функция будет первой из многих функций, защищающих вас и ваш дом от пожаров.
Bi2Te3 наиболее эффективен при комнатной температуре. Такие материалы, как PbTe, работают при температуре от 350 до 600 ° C (702-1112 ° F). И Bi2Te3, и PbTe — зрелые материалы. Их характеристики и производительность хорошо задокументированы и широко используются в коммерческих целях. Однако до сих пор практически невозможно коммерчески приобрести PbTe в модульной форме. Гибридный термоэлектрический модуль, сочетающий в себе лучший в классе Bi2Te3 P-тип с лучшим материалом в классе PbTe N-Type, образуя первые гибридные модули TEG, классифицируемые как модуль серии TEG1-PB.Свойства PbTe лучше подходят для температур выше 300 ° C, поэтому комбинация хорошо работает в диапазоне от 300 ° C до 360 ° C. И теперь PbTe / TAGS до 12% эффективности.

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ админ 2018-05-22T21: 09: 03 + 00: 00

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ (эффект Зеебека), описано ниже. Мы производим генераторы ТЭГ в течение последних 20 лет. Интерес к этой области резко возрос за последние 5 лет.Мы здесь, чтобы помочь объяснить нюансы технологии, поскольку в Интернете очень мало информации.

Термоэлектрические модули работают по двум различным принципам

1. Эффект Пельтье: Этот эффект вводит мощность в модуль, в результате чего одна сторона охлаждается, а другая нагревается. Эти типы модулей имеют малый ток (обычно в диапазоне 6 ампер при напряжении 12 В) и рассчитаны на воздействие низких температур от 70 ° C до 80 ° C горячей стороны. Воздействие более высоких температур приведет к тому, что модуль либо разобьется, либо соединятся, либо оплавятся, и они не станут хорошими генераторами энергии!

2.Эффект Зеебека: этот эффект создает разность температур в модуле за счет нагрева одной стороны модуля и охлаждения противоположной (стороны отвода тепла). Эти модули были специально разработаны для работы при температурах до 320 ° C (BiTe). Гибридные модули на 360 ° C (комбинация BiTe и PbTe), предназначенные для использования преимуществ температуры горячей стороны в диапазоне от 260 ° C до 340 ° C, PbTe, разработанные для диапазона от 450 ° C до 600 ° C (от 842 ° F до 1112 ° F) из которых у нас есть 2 варианта (только PbTe, и PbTe / TAGS) и, наконец, модули оксида CMO (от 600 ° C до 850 ° C) (1112 ° F — 1562 ° F) горячей стороны.Чтобы увидеть наш выбор, нажмите «Магазин».

Правильная терминология важна для любой технологии. Модуль Зеебека — это генератор энергии (мощность от перепада тепла) DT, а модуль Пельтье — это модуль охлаждения (подающий мощность постоянного тока для получения дифференциала) горячей и холодной стороны. Вы можете использовать модуль Пельтье в качестве генератора, но вы не сможете производить большую мощность, потому что материалы, используемые для соединения устройства, имеют низкие температуры, и модуль будет разрушен при воздействии высоких температур.Для получения значимой мощности вам необходимо подвергнуть горячую сторону воздействию температур в диапазоне от 300 ° F до 700 ° F или выше! Если вы хотите производить милливатт, в этом нет необходимости. Холодная сторона должна быть спроектирована таким образом, чтобы отводить максимальное количество тепла (лучше всего подходит жидкость, движущаяся в сливном канале), когда она проходит с горячей стороны через модуль или модули к холодной стороне. Минус, если возможно, на холодной стороне. Чем холоднее холодная сторона, тем больше энергии вырабатывается. Фактически, с тем же самым DT модуль будет производить немного больше мощности при эквивалентном DT, но с более низкой холодной стороной.Это связано с тем, что по мере охлаждения полупроводника его внутреннее сопротивление уменьшается.

Выходная мощность определяется двумя критическими факторами

1. Количество теплового потока, которое может успешно пройти через модуль (HEAT FLOW). Чем больше количество тепла, тем больше мощности может быть произведено. Пример: если источником тепла является свеча, то количество энергии, которое может быть произведено, ограничено. Если у вас есть дровяная печь на 100000 БТЕ, вы можете производить значительную мощность, достаточную для зарядки системы батарей на 12 или 24 В, если вы можете использовать прямое тепло внутри печи.Объяснение можно найти в (Что новости)

2. (DT) Delta Temperature — температура горячей стороны за вычетом температуры холодной стороны.
Большие усилия должны быть приложены как к конструкции подвода тепла, так и к конструкции отвода тепла (холодная сторона). Чем лучше конструкция системы ТЭГ-генератора перемещает тепло с горячей стороны на холодную и рассеивает это тепло, когда оно попадает на холодную сторону, тем больше энергии будет вырабатываться. В отличие от солнечных фотоэлектрических модулей, в которых для выработки энергии используются большие поверхности, термоэлектрические модули с эффектом Зеебека рассчитаны на очень высокую плотность мощности.Примерно в 50 раз больше, чем солнечные фотоэлектрические системы! Термоэлектрические генераторы Зеебека, использующие движущуюся жидкость на холодной стороне, работают значительно лучше, чем любой другой метод охлаждения, и вырабатывают значительно больше полезной дополнительной мощности, чем потребляет насос (в зависимости от размера системы). Таким образом, для отвода наилучшего возможного тепла потребуются лучшие теплопроводящие материалы, такие как алюминий и медь, в конструкции системы термоэлектрического генератора.

Лучшая конструкция термоэлектрической генераторной системы.

Хотите увидеть, как один работает с выходами, чтобы показать записи мультиметра с нашего устройства, нажмите здесь https://www.youtube.com/watch?v=3-prKCGwV5M

Мы поможем вам разработать ваш продукт!

Для завершения включим пример:

Если вы хотите произвести термоэлектрический генератор ТЭГ мощностью 100 Вт. Размер ТЭГ основан на DT 100 ° C ( Горячая сторона — Холодная сторона )

Например:

Требуется не менее 2000 Вт тепла на горячей стороне, проходящей через модули, при коэффициенте преобразования 5%.
Требуется непрерывное рассеивание 1900 Вт тепла на холодной стороне, поскольку в мощность преобразуется только 100 Вт.
Насколько критично DT. Тот же ТЭГ на 100 ватт. Если температура DT увеличится до 150 ° C, выходная мощность увеличится примерно до 140 Вт. Если DT снова увеличится до 200 ° C, ваша выходная мощность снова увеличится примерно до 180 Вт.

Как работают термоэлектрические генераторы | ООО «Прикладные термоэлектрические решения»

Как работают термоэлектрические генераторы

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

Модуль термоэлектрического генератора

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

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

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

В остальном этот пост посвящен термоэлектрическим генераторам.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

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

Пара термоэлектрических генераторов Термоэлектрический генератор (пеллеты, кубики, полупроводники, термоэлементы)

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

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

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

Теллурид сурьмы и висмута (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

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

Модуль термоэлектрического генератора

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

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

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

Алессандро Вольта

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

Высокопроизводительный носимый термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, переработки и реконфигурации, подобного Lego

Abstract

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

ВВЕДЕНИЕ

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

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

РЕЗУЛЬТАТЫ

Конструкция и изготовление устройства

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

Рис. 1 Устройство и изготовление ТЭГ.

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

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

Выходная мощность и термоэлектрическая стойкость

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

Рис. 2 Мощность и ресурс ТЭГ.

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

Носимый ТЭГ и механические свойства

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

Рис. 3 Сбор энергии носимых устройств и механические свойства ТЭГ.

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

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

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

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

Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Lego

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

Инжир.4 Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Лего.

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

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

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

Улучшение характеристик ТЭГ на открытом воздухе с помощью пленки из метаматериала

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

Рис. 5 Улучшение характеристик на открытом воздухе с помощью пленок из метаматериалов с избирательной длиной волны

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

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

ОБСУЖДЕНИЕ

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

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

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез материалов и изготовление устройств

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

Характеристики материалов

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

Измерение выходной мощности ТЭГ

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

Механические характеристики

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

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

↵
Д. М. Роу, Модули, системы и приложения в термоэлектриках (CRC Press, 2012).
↵
М. Киши, Х. Немото, Т. Хамао, М. Ямамото, С. Судо, М.Мандаи, С. Ямамото, Микро-термоэлектрические модули и их применение в наручных часах в качестве источника энергии, в Восемнадцатая Международная конференция по термоэлектричеству, Материалы, ICT’99 (Кат. № 99TH8407) (IEEE, 1999), стр. 301– 307.
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
9050
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
↵
L.M. Goncalves, C. Couto, JH Correia, P. Alpuim, G. Min, DM Rowe, Оптимизация термоэлектрических тонких пленок, нанесенных путем совместного испарения на пластиковые подложки, в материалах 4-й Европейской конференции по термоэлектричеству , Кардифф, Великобритания, 9–11 апреля 2006 г. (2006 г.).
↵
↵

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

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

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

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

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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

Что сохраняется в файле cookie?

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

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

Полностью напечатанные термоэлектрические генераторы оригами для сбора энергии

Эванс, Д. Интернет вещей: как следующая эволюция Интернета все меняет. CISCO White Pap. 1 , 1–11 (2011).

Google Scholar

Shaikh, F. K., Zeadally, S. & Exposito, E. Включение технологий для зеленого Интернета вещей. IEEE Syst. J. 11 , 983–994 (2017).

Артикул Google Scholar

Байер, Г., Нихофф, С., Зиемс, Т. и Сюэ, Б. Аспекты устойчивости цифровой промышленности — сравнительное исследование, проведенное в Китае и Германии. Внутр. J. Precis. Англ. Manuf. Technol. 4 , 227–234 (2017).

Артикул Google Scholar

Суарес, Ф., Нозариасбмарц, А., Вашаи, Д. и Озтюрк, М. К. Разработка термоэлектрических генераторов для носимой электроники с автономным питанием. Energy Environ.Sci. 9 , 2099–2113 (2016).

CAS Статья Google Scholar

Леонов В.В. Сбор термоэлектрической энергии тепла человеческого тела для носимых датчиков. IEEE Sens. J. 13 , 2284–2291 (2013).

Артикул Google Scholar

Снайдер, Г. Дж. Thermoelectric Energy Harvesting BT — Energy Harvesting Technologies (ред. Priya, S.И Инман, Д. Дж.) (Спрингер, США, 2009 г.).

Янг Дж. Возможные применения термоэлектрической утилизации отработанного тепла в автомобильной промышленности. в ICT 2005. 24-я Международная конференция по термоэлектричеству, 2005 . 170–174 (2005).

Крейн, Д. Т. и Джексон, Г. С. Оптимизация теплообменников с перекрестным потоком для термоэлектрической утилизации отработанного тепла. Energy Convers. Manag. 45 , 1565–1582 (2004).

CAS Статья Google Scholar

Чампье, Д. Термоэлектрические генераторы: обзор приложений. Energy Convers. Manag. 140 , 167–181 (2017).

Артикул Google Scholar

10.

Андерсон Д. Л. Химический состав мантии. J. Geophys. Res. Твердая Земля 88 , B41 – B52 (1983).

Артикул Google Scholar

11.

Lemmer, U., Кеттлитц, С., Галл, А. и Гелтиг, М. Равные и складчатые термоэлектрические системы и способ их получения. Патент США. US9660167B2 (2017).

12.

Kim, F. et al. 3D-печать термоэлектрических материалов соответствующей формы с использованием полностью неорганических чернил на основе Bi 2 Te 3. Нат. Энергетика 3 , 301–309 (2018).

CAS Статья Google Scholar

13.

Оррилл, М.& LeBlanc, S. Печатные термоэлектрические материалы и устройства: методы изготовления, преимущества и проблемы. J. Appl. Polym. Sci. 134 , 44256 (2017).

Артикул Google Scholar

14.

Fang, H. et al. Масштабная интеграция гибких материалов в рулонные и гофрированные термоэлектрические модули. J. Appl. Polym. Sci. 134 , 44208 (2017).

Google Scholar

15.

Русс Б., Глауделл А., Урбан Дж. Дж., Чабиниц М. Л. и Сегалман Р. А. Органические термоэлектрические материалы для сбора энергии и контроля температуры. Нат. Rev. Mater. 1 , 16050 (2016).

CAS Статья Google Scholar

16.

He, R., Schierning, G. & Nielsch, K. Термоэлектрические устройства: обзор устройств, архитектур и оптимизация контактов. Adv. Матер. Технол . 3 , 1700256 (2018).

17.

Ду Ю., Сюй Дж., Пол Б. и Эклунд П. Гибкие термоэлектрические материалы и устройства. Заявл. Матер. Сегодня 12 , 366–388 (2018).

Артикул Google Scholar

18.

Petsagkourakis, I. et al. Термоэлектрические материалы и приложения для сбора энергии для производства электроэнергии. Sci. Technol. Adv. Матер. 19 , 836–862 (2018).

CAS Статья Google Scholar

19.

Du, Y. et al. Термоэлектрические материалы и устройства, изготовленные методом аддитивного производства. Вакуум 178 , 109384 (2020).

CAS Статья Google Scholar

20.

Никулеску В. Способ изготовления модулей термоэлектрического генератора. Патент США. US4149025A (1979).

21.

Шульц-Хардер Дж. Процесс производства модулей Пельтье и модуль Пельтье. Патент США. Прил. Publ. US200

417A1 (2009 г.).

22.

Goldsmid, J. Введение в термоэлектричество 2-е изд., Vol. 121 (Springer Nature, 1989).

23.

Гупил К. Теория континуума и моделирование термоэлектрических элементов . (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016).

24.

ЛеБлан, С., Йи, С. К., Скаллин, М. Л., Дэймс, К. и Гудсон, К. Э. Анализ материалов и стоимости производства термоэлектриков. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 32 , 313–327 (2014).

CAS Статья Google Scholar

25.

Апертет Ю., Уэрдан Х., Главатская О., Гупил С. и Лекёр П. Оптимальные условия работы термоэлектрических генераторов с реалистичной тепловой связью. Epl 97 , 1–6 (2012).

Артикул Google Scholar

26.

Ядзава К. и Шакури А. Компромисс между рентабельностью и проектированием термоэлектрических генераторов энергии. Environ. Sci. Technol. 45 , 7548–7553 (2011).

CAS Статья Google Scholar

27.

Бхарти, М., Сингх, А., Саманта, С. и Асвал, Д. К. Проводящие полимеры для термоэлектрической генерации энергии. Prog. Матер. Sci. 93 , 270–310 (2018).

CAS Статья Google Scholar

28.

Mallick, M. M. et al. Печатные термоэлектрические материалы n-типа с высокими рабочими характеристиками на основе Ag-Se для складчатых генераторов с высокой плотностью мощности. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 12 , 19655–19663 (2020).

CAS Статья Google Scholar

29.

Weber, J. et al. Термоэлектрический генератор энергии из свернутой в спираль из полимерной фольги размером с монету для носимой электроники. Приводы Sens. A Phys. 132 , 325–330 (2006).

CAS Статья Google Scholar

30.

Mallick, M. M. et al. Новый рубеж в печатных термоэлектриках: образование β-Ag2Se посредством термостимулированной диссоциативной адсорбции приводит к высокому: ZT. J. Mater. Chem. A 8 , 16366–16375 (2020).

CAS Статья Google Scholar

31.

Таппура, К. Численное исследование компромиссов в конструкции тонкопленочного термоэлектрического генератора для приложений большой площади. Обновить. Энергетика 120 , 78–87 (2018).

Артикул Google Scholar

32.

Сан Т., Пиви Дж. Л., Дэвид Шелби М., Фергюсон С. и О’Коннор Б. Т. Формирование термоусадки гофрированного тонкопленочного термоэлектрического генератора. Energy Convers. Manag. 103 , 674–680 (2015).

CAS Статья Google Scholar

33.

Owoyele, O., Ferguson, S. & O’Connor, B.T. Анализ производительности термоэлектрического охладителя с гофрированной архитектурой. Заявл. Энергия 147 , 184–191 (2015).

Артикул Google Scholar

34.

Вишвакарма, В., Waghela, C. & Jain, A. Измерение неплоскостной теплопроводности подложек для гибкой электроники и дисплеев. Microelectron. Англ. 142 , 36–39 (2015).

CAS Статья Google Scholar

35.

Леммон, Э. В. и Якобсен, Р. Т. Уравнения вязкости и теплопроводности для азота, кислорода, аргона и воздуха. Внутр. J. Thermophys. 25 , 21–69 (2004).

CAS Статья Google Scholar

36.

Han, M.G. & Foulger, S.H. Простой синтез поли (3,4-этилендиокситиофен) нановолокон из водного раствора поверхностно-активного вещества. Малый 2 , 1164–1169 (2006).

CAS Статья Google Scholar

37.

Аслан, С., Галл, А., Либер, П., Леммер, У. и Брезе, С. Краска для шелкографии и способ ее производства. Eur. Пат. Прил. EP3587521A1 (2018).

38.

Wan, C. et al. Гибкие термоэлектрические материалы n-типа за счет органической интеркаляции слоистого дихалькогенида переходного металла TiS2. Нат. Матер. 14 , 622–627 (2015).

CAS Статья Google Scholar

39.

Wan, C. et al. Гибкая термоэлектрическая пленка для сбора энергии при ношении. Nano Energy 30 , 840–845 (2016).

CAS Статья Google Scholar

40.

Aslan, S., Gall, A., Lemmer, U. & Bräse, S. Дисульфид титана, пригодный для трафаретной печати, для использования в термоэлектрическом генераторе. Eur. Пат. Прил. EP3587507A1 (2018).

41.

Zhang, K., Qiu, J. & Wang, S. Термоэлектрические свойства нанопроволоки PEDOT / гибридов PEDOT. Наноразмер 8 , 8033–8041 (2016).

CAS Статья Google Scholar

Высокопроизводительные совместимые термоэлектрические генераторы с магнитными самосборными мягкими проводниками тепла для носимой электроники с автономным питанием

Конструкция и высокоавтоматизированный процесс для совместимых ТЭГов

На рисунке 1a показаны концепция и конструкция наших совместимых ТЭГ.Ранее сообщалось, что в ТЭГ, соответствующих требованиям к высоким характеристикам, обычно использовались толстые и жесткие электроды для соединения ветвей TE ^35,36,39, и они страдали от ограниченной механической гибкости и сложных процессов изготовления. Жидкие металлы, такие как эвтектический галлий-индий (EGaIn), использовались для мягких межсоединений ^37,38,42, но их вредная и нестабильная природа требует полимерной инкапсуляции с высоким термоимпедансом, значительно затрудняя передачу тепла материалам TE.Для решения этих проблем мы разрабатываем платформу мягкого теплопередачи и электрического соединения (SHEP), в которую встроены внутренне растягивающиеся электроды и s-HC, которые соединяют ветви high- zT TE и соединяют их с источниками тепла произвольной формы соответственно , сохраняя при этом как механическую мягкость, так и низкое термическое сопротивление (рис. 1б, в). Мягкие электроды и s-HC были легко сформированы в эластомерной матрице путем одновременного процесса заливки / формирования рисунка / отверждения, как показано ниже (рис.1d и подробности в «Методах», дополнительном рисунке 1, дополнительной таблице 1 и дополнительном фильме 1). Сначала мы покрыли смесь частиц Ag – Ni / прекурсора PDMS на поддерживающем стекле подложкой из полиэтиленнафталата (PEN), осажденного AgNW. Затем мы зажали их двумя железными массивами столбов и прикрепили два магнита вверху и внизу массивов столбов. Поскольку магнитное поле сосредоточено на парах железных опор, выровненных по вертикали, как показано в результате анализа методом конечных элементов (FEA) на дополнительном рис.2, частицы Ag – Ni быстро сходятся к месту расположения железных столбов. В то же время частицы между верхней и нижней стойками самоорганизуются, образуя четко определенные вертикальные цепочки, то есть пути перколяции в смеси PDMS. После отверждения смеси и отсоединения PEN-подложки на поддерживающем стекле была получена SHEP. Процесс формирования SHEP довольно прост, легко настраивается и воспроизводится. Конструкцию шаблонов s-HC можно легко модулировать, используя различные массивы железных столбов.Концентрацию частиц Ag – Ni в образцах s-HC, которая определяет способность к теплопередаче, можно легко отрегулировать, изменив объемную долю смеси частиц Ag – Ni / PDMS (дополнительный рис. 3). Кроме того, потенциальные параметры, которые влияют на характеристики TE, такие как интенсивность магнитного потока и вязкость PDMS, были тщательно оптимизированы, чтобы находиться в середине технологического окна, что сделало наш процесс более стабильным и надежным в условиях окружающей среды (дополнительные рисунки 4 и 5). ).TE-ноги на основе Bi ₂ Te ₃ были затем интегрированы в подготовленные SHEP с помощью полностью автоматизированной эпоксидной печати и процессов подбора и установки (рис. 1e). После присоединения верхнего SHEP к решетке TE и проникновения PDMS между верхним и нижним SHEP для дальнейшего повышения механической прочности, наконец был изготовлен совместимый TEG с внутренне растягиваемыми электродами и s-HC. Общее время процесса составляет ~ 4,5 часа, включая 2 часа для формирования SHEP и 2,5 часа для интегрирования.

Рис. 1: Процесс проектирования и изготовления совместимого термоэлектрического генератора (ТЭГ).

a Концептуальная иллюстрация совместимого ТЭГ с мягкими электродами и мягкими проводниками тепла (s-HC) для схем с автономным питанием. На левой вставке представлена фотография термоэлектрических (ТЕ) ветвей на основе теллурида висмута (Bi ₂ Te ₃), а на правой вставке — оптическое изображение поперечного сечения совместимого ТЭГ. Масштабные линейки 5 и 1 мм. b Схематическое изображение, показывающее структуру совместимого ТЭГ, устанавливающего конформный контакт с источником тепла произвольной формы.S-HC эффективно передают тепловую энергию от источника тепла к ножкам TE, а мягкие электроды обеспечивают высокую степень механической свободы. c Микроскопическое изображение мягкой платформы теплопередачи и электрических соединений (SHEP) с заделанными электродами из мягкой серебряной нанопроволоки (AgNW) и узорчатыми покрытыми серебром никелевыми (Ag – Ni) s-HC. Масштабная линейка 50 мкм. d Схематическое изображение и фотографии одновременного процесса заливки / формирования рисунка / отверждения для SHEP. Масштабные линейки 5 мм, 2 см и 5 мм. e Схематическое изображение и фотографии полностью автоматизированного процесса интеграции, совместимого с большой площадью, с использованием программируемого дозатора и устройства для сбора и размещения. На самой правой фотографии показан совместимый ТЭГ, содержащий 440 TE ног, соответственно прикрепленных к коже человека. Масштабные линейки 1 см.

Наша производственная стратегия соответствует растущим тенденциям миниатюризации носимых устройств. В последние годы объемные ножки вручную помещались на подложки на полимерной основе, что ограничивало степень интеграции или коэффициент заполнения (FF), тесно связанный с плотностью мощности в носимых устройствах. ^4,18,25.Напротив, наша высокоавтоматизированная интеграция предлагает высокую степень масштабируемости и настраиваемости наряду с высокой производительностью устройств, что позволяет надежно реализовать совместимые с большой площадью TEG даже с 440 ветвями TE на площади 3,9 × 4,3 см ².

Термические и механические характеристики s-HC

Чтобы исследовать влияние наших s-HC на теплопередающую способность эластомерных подложек, мы систематически проанализировали теплопроводность композитов с объемными частицами Ag – Ni / PDMS, т.е.например, композиты, не имеющие пространственной структуры с помощью массивов железных столбов, в зависимости от концентрации частиц Ag – Ni с магнитной самосборкой и без нее (рис. 2а). Сквозная теплопроводность ( K _{Сквозная плоскость}) композитов увеличилась с 0,15 до 0,53 Вт · м ^-1 K ^-1 при увеличении концентрации частиц Ag – Ni до 70 мас. до 1,1 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ при магнитной самосборке (рис. 2б). Этот результат в первую очередь обусловлен значительным увеличением количества вертикальных перколяционных путей, возникающих из-за приложенного магнитного поля, как показано на изображениях сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на рис.2c и дополнительный рис. 6. На рис. 2d показана теплопроводность в плоскости ( K _{в плоскости}) объемных композитов. Композиты без магнитной самосборки показали K _{В плоскости}> 1 Вт м ^-1 K ^-1, что намного выше, чем K _{Сквозная плоскость}; этот результат можно объяснить неоднородным распределением частиц Ag – Ni в вертикальном направлении из-за действия силы тяжести во время процесса отверждения.После магнитной самосборки, поскольку частицы Ag – Ni высокой плотности на дне композита участвовали в вертикальных цепочках вдоль направления магнитного поля, K _In-plane немного уменьшился. Примечательно, что наша стратегия, использующая магнитную самосборку частиц Ag – Ni, эффективно улучшила K _Thru-plane, что тесно связано со способностью передавать тепло к TE ветвям без значительных потерь в K _{In -самолет}.

Рис. 2: Термические и механические свойства s-HC.

a Схематическое изображение объемных композитов частицы Ag – Ni / полидиметилсилоксан (PDMS) без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой для измерения теплопроводности в проходной и плоской плоскости. b Зависимость теплопроводности через плоскость от концентрации частиц Ag – Ni без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. c Изображения объемных композитов с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой.Также включены увеличенное изображение SEM и изображение энергодисперсионной спектрометрии (EDS), показывающее вертикально ориентированные частицы Ag – Ni. Масштабные линейки 40 мкм. d Зависимость теплопроводности в плоскости от концентрации частиц Ag – Ni без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. e Кривые деформация-напряжение для чистого ПДМС и магнитно-самоорганизующихся композитов Ag – Ni частица / PDMS с различными концентрациями частиц Ag – Ni.

Кроме того, поскольку s-HC были пространственно структурированы в 1.2 × 1,2 мм ² квадратных с использованием массива железных столбов, расчетная концентрация частиц Ag – Ni в структурированных s-HC составила ~ 85 мас.% (Подробности на дополнительном рис. 3 и в дополнительном примечании 1). Точная теплопроводность наших структурированных s-HC не может быть получена экспериментально из-за ограничений нашей измерительной системы с точки зрения минимальных размеров и сложности изготовления объемного композита, содержащего> 75 мас.% Частиц Ag – Ni. Следовательно, K _Thru-plane of ~ 1.4 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ для концентрации частиц Ag – Ni 85 мас.% Было извлечено из экстраполяции данных измерений на рис. 2б. Эта теплопроводность сопоставима с теплопроводностью ветви Bi ₂ Te ₃ (~ 1,9 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹, см. Дополнительную таблицу 2) и приводит к хорошо подобранному тепловому сопротивлению, что значительно снижает паразитные потери тепла через эластомерный слой в линейном масштабе. Кроме того, наши s-HC хорошо сохранили свою мягкость с модулем Юнга <10 МПа и деформацией разрушения> 90% (рис.2e), демонстрируя лучшую растяжимость, чем большинство стандартных коммерческих термопрокладок (дополнительный рис. 7). Эти результаты показывают, что способность к теплопередаче нашего s-HC превосходит таковые у ранее заявленных совместимых субстратов (дополнительная таблица 3), таких как PDMS и инженерный Ecoflex, и даже сравнима с таковыми у коммерческих термопрокладок.

Повышенная производительность TE с помощью s-HC

Чтобы исследовать влияние нашего s-HC на выработку электроэнергии, мы охарактеризовали характеристики TEG с 36 np-парами с s-HC и без них с помощью как 3D FEA, так и экспериментальных измерений.На рис. 3a, b представлены результаты FEA, показывающие распределение температуры в поперечном сечении двух ТЭГ, когда Δ T _Applied между верхней и нижней границами составляло 10 K (детали моделирования см. На дополнительном рисунке 8 и в дополнительной таблице. 4). В случае ТЭГ без s-HC, хотя поддерживающие слои PDMS были достаточно тонкими (120 мкм) по сравнению с высотой ветви TE, Δ T _TE составлял всего 5,1 К (рис. 3a). Основная причина такой небольшой разницы в том, что теплопроводность ПДМС (~ 0.16 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹) чрезвычайно мало по сравнению с ветвью TE; следовательно, большая часть Δ T _Applied была потеряна на уровнях PDMS. Напротив, температура была линейно распределена по ТЭГ с s-HC, показывая Δ T _TE 8,6 K, в результате согласования теплового импеданса между s-HC и ветвью TE из-за значительно улучшенного K _{Сквозная плоскость} с s-HC (рис. 3b). Результирующие значения V _OC, рассчитанные на основе FEA, составили 61.7 и 96,5 мВ для ТЭГ без и с s-HC соответственно (рис. 3в, г). Мы также рассчитали V _OC как функцию теплопроводности s-HC, показав, что наш s-HC обеспечивает ~ 86% максимального теоретического V _OC для 36-np-пары TE. ноги должны быть достигнуты (дополнительный рис. 9). Этот эффект s-HC был также подтвержден экспериментальным измерением характеристик TE изготовленных 36-np-совместимых ТЭГ без и с s-HC с использованием самодельного измерительного оборудования (рис.3e, f и дополнительный рис. 10). Оба ТЭГ показали линейное и квадратичное увеличение V _OC и выходной мощности, соответственно, при увеличении Δ T _Applied. ТЭГ с s-HC показал на 45% больше V _OC по сравнению с таковым без s-HC, 61,4 против 89,5 мВ при Δ T _Applied 10 K, что согласуется с результатами FEA. Максимальные мощности ТЭГ без и с s-HC при Δ T _Applied при 40 K составляли 232 и 828 мкВт соответственно.Хотя V _OC может быть дополнительно улучшен за счет увеличения теплопроводности s-HC или уменьшения толщины s-HC, параметры были оптимизированы в отношении мягкости, механической надежности и стабильности процесса. Кроме того, улучшенная способность теплопередачи нашего совместимого ТЭГ позволяет быстро реагировать на динамическое изменение температуры. Мы измерили временное разрешение V _OC двух ТЭГ на алюминиевой пластине, когда алюминиевая чашка с горячей водой (~ 70 ° C) была резко помещена в контакт с их верхними поверхностями (рис.3g и дополнительный рис. 11). ТЭГ с s-HC реагировал на изменение температуры быстрее, чем без s-HC, с более высоким максимумом V _OC, показывая хорошее соответствие с результатами FEA (рис. 3h).

Рис. 3: Влияние s-HC на характеристики TE совместимого TEG.

a , b Результаты анализа методом конечных элементов (FEA), показывающие распределение температуры в поперечном сечении ТЭГ без ( a ) и с s-HC ( b ) для заданной разницы температур 10 К. c , d Результаты FEA, показывающие напряжение холостого хода ( В _OC) ТЭГ с 36 np-парой без ( c ) и с s-HC ( d ) для данного разность температур 10 К. e , f Экспериментально измеренные характеристики TE ТЭГ с 36 np-парой без ( e ) и с s-HC ( f ), показывающих зависимость тока и мощности от напряжения. г Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения отклика ТЭГ без и с s-HC. ч Временное разрешение V _OC двух ТЭГ, когда алюминиевый стакан с горячей водой резко входит в контакт с двумя ТЭГ. Пунктирные линии представляют соответствующие результаты FEA. i Фотография ТЭГ, совместимого с 220 np-парами. j Экспериментально измеренные рабочие характеристики ТЭГ, совместимого с парами 220 np, включая ток и мощность в зависимости от напряжения. k Сравнение производительности носимых ТЭГ.

Долгосрочным требованием носимых приложений ТЭГ является надежная работа ТЭГ, совместимых с высоким FF.Используя наш масштабируемый и автоматизированный процесс изготовления, мы изготовили совместимый ТЭГ с 440 ветвями TE на площади 3,9 × 4,3 см ² (рис. 3i). ТЭГ генерировал максимальную мощность 7,02 мВт и В _OC 2,12 В при Δ T _Applied при 40 K (рис. 3j). На рисунке 3k и в дополнительной таблице 3 показано сравнение производительности современных гибких / носимых TEG ^{10,20,27,35,36,37,43,44,45,46,47}. Наш совместимый ТЭГ с s-HC показывает наивысшее нормализованное напряжение Зеебека на единицу площади, В, _OC, нормализованное на Δ T , и размеры ТЭГ, благодаря выдающейся способности теплопередачи s- HC и высокий FF, достигнутый за счет автоматизированного процесса интеграции.Кроме того, он показывает наивысшую нормированную плотность мощности, плотность мощности, деленную на Δ T ², чтобы исключить зависимость Δ T , в группе растягиваемых TEG. Значение 0,26 мкВт см ⁻² K ⁻² даже сопоставимо с лучшими показателями предыдущих гибких ТЭГ с жесткими медными электродами, хотя некоторые из них показывают более высокое значение> 1 мкВт см ⁻² K ^{— 2} из-за высокой проводимости жестких медных электродов, что серьезно ухудшает совместимость ТЭГ.В частности, вместе с превосходной совместимостью, наш ТЭГ, прикрепленный к коже человека, генерировал самую высокую максимальную плотность мощности (6,96 мкВт / см ^-2) и V _OC (266 мВ) в ранее описанных носимых ТЭГ на коже человека (дополнительная информация Рис.12).

Выходная мощность нашего совместимого ТЭГ может быть дополнительно улучшена за счет уменьшения сопротивления модуля, которое складывается из сопротивлений ветвей TE, растягиваемых электродов на основе AgNW и проводящих эпоксидных переходов между ними (дополнительный рис.13). «Сопротивление перехода» и «сопротивление электрода» составляют 77% и 19% от общего сопротивления модуля соответственно (дополнительная таблица 5). Следовательно, минимизация сопротивления обоих компонентов является ключом к повышению выходной мощности нашего совместимого ТЭГ. Более конкретно, сопротивление перехода можно снова разделить на три части: контактное сопротивление между Ag-эпоксидной смолой и TE ветвями, объемное сопротивление проводящей эпоксидной смолы и контактное сопротивление между проводящей эпоксидной смолой и электродом из AgNW (дополнительный рис.14). Поскольку растягиваемые электроды основаны на композитном материале, в котором случайная сеть AgNW встроена в матрицу PDMS, большая часть поверхности состоит из матрицы PDMS, где AgNW частично обнажены. Эта низкая плотность открытых проводящих материалов увеличивает контактное сопротивление между электродами и проводящей эпоксидной смолой (дополнительный рис. 15). Возможные решения могут заключаться в частичном травлении PDMS для обнажения AgNW или использовании межфазного слоя, такого как тонкая металлическая пленка с печатью, между проводящей эпоксидной смолой и растяжимыми электродами.Длина, диаметр и количество осажденных AgNW также являются решающими параметрами для проводимости растягиваемых электродов и контактного сопротивления между проводящей эпоксидной смолой и электродами.

Механическая надежность соответствующего ТЭГ

Наши ТЭГ показали высокую деформируемость и механическую надежность при деформации растяжения по сравнению с теми, о которых сообщалось в предыдущей литературе, поскольку собственно растягиваемые электроды из AgNW с низким модулем Юнга эффективно поглощают приложенное напряжение, а пропитанный ПДМС действует как буфер, предотвращающий разрыв каждой ноги из-за сильной деформации.Для систематического анализа мы провели FEA распределения напряжений и деформаций на поверхности, содержащей межсоединения, когда наш ТЭГ с мягкими электродами из AgNW и аналогичный ТЭГ с пластинчатыми электродами из Cu механически изгибались и растягивались. Когда они были изогнуты, на медных электродах возникло чрезвычайно высокое напряжение по сравнению с электродами из AgNW из-за высокого модуля Юнга медных пластин (~ 120 ГПа), что привело к высокой жесткости на изгиб и ограниченной деформируемости (рис. 4a, б).Когда применялась деформация растяжения 20%, результаты FEA показали концентрированную деформацию> 250% на границах раздела между PDMS и пластинами Cu, что намного превышает деформацию разрушения PDMS, в то время как электроды из AgNW поглощали внешнюю деформацию и сохраняли максимальная деформация <150% (рис. 4в, г). Мы также экспериментально продемонстрировали механическую надежность нашего ТЭГ, измерив изменение сопротивления (Δ R ) до начального сопротивления ( R ₀) и характеристики TE при различных условиях изгиба и растяжения.\ (\ Frac {{{\ Delta} R}} {{R_0}} \) ТЭГ оставался на уровне <50%, когда радиус изгиба ( r ) достигал ~ 11 мм (рис. 4e и дополнительный рис. 16). Сопротивление ТЭГ также было стабильным в течение 1000 циклов изгиба с r 15 мм (рис. 4f). V _OC и мощность при Δ T _Applied 10 K стабильно сохранялись даже после 10000 циклов изгиба как по оси x (рис. 4g), так и по оси y (рис. 4h и дополнительный рис.17). Кроме того, наш ТЭГ, соответствующий требованиям, показал растяжимость до 20% с \ (\ frac {{\ Delta} R}} {{R_0}} \) 160% (рис. 4i) и отличную циклическую надежность при нагрузке 10 % (Рис. 4j). Особенно, когда гибкие ТЭГ используют наноструктурированные или тонкопленочные ТЭ материалы, например поли (3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT: PSS) и углеродные нанотрубки (УНТ), непосредственно подвергаются механической деформации и, следовательно, страдают от деформационного воздействия на коэффициент Зеебека ^48,49, объемный Bi ₂ Ветви Te ₃, используемые в нашем совместимом ТЭГ, полностью не деформируются при механической деформации (рис.4в, г). Это связано с тем, что электроды с внутренним растягиванием эффективно поглощают механическую деформацию в результате большой разницы модулей Юнга между растягиваемыми межсоединениями и ветвями TE. Следовательно, V _OC нашего ТЭГ не изменился при приложении растягивающей деформации (дополнительный рис. 18). Этот эффект отсутствия деформаций все еще сохраняется, когда к ТЭГ прилагается деформация изгиба (дополнительный рисунок 19). Не было заметных изменений в V _OC нашего ТЭГ при одноосном (дополнительный рис.20) и условия двухосного изгиба (дополнительный рисунок 21). Наш ТЭГ также продемонстрировал выдающуюся долговременную устойчивость к влажности от 1 до 384 часов (16 дней), даже в суровых условиях температуры и влажности (дополнительный рисунок 22).

Рис. 4: Механическая надежность соответствующего ТЭГ.

a Результаты FEA, показывающие напряжение по Мизесу на поверхностях ТЭГ с медными пластинчатыми электродами и ТЭГ с мягкими электродами, залитыми AgNW, в условиях изгиба. b Напряжение по Мизесу в поперечных сечениях, обозначенных пунктирными линиями в a . c Результаты FEA, показывающие первую основную деформацию поверхностей двух ТЭГ при одноосной деформации 20%. d Первая основная деформация поперечных сечений, обозначенных пунктирными линиями в c . e Изменение сопротивления в зависимости от расстояния между концами ТЭГ и его радиуса изгиба. На вставленных фотографиях показаны виды сбоку изогнутого ТЭГ для разных радиусов изгиба. Шкала шкалы 2 см. f Циклическое испытание на изгиб совместимого ТЭГ, показывающее стабильную электропроводность во время и после циклов изгиба с радиусом изгиба ( r ) ~ 15 мм.На вставке показан увеличенный вид записанных данных. г , ч Экспериментально измеренные характеристики ТЭ ТЭГ, совместимого с 36-np-парами, после различных циклов изгиба с разными направлениями изгиба по оси x ( г ) и оси y ( h ) . Каждая вставка представляет собой оптическое изображение изогнутого ТЭГ с различными направлениями изгиба по оси x ( g ) и y оси ( h ) соответственно. Масштабные линейки 1 см. i Изменение сопротивления в зависимости от одноосной деформации от 0 до 20%. На вставленных фотографиях показан податливый ТЭГ при деформации 0 и 20%. Шкала шкалы 1 см. j Циклическое испытание ТЭГ на растяжение, показывающее стабильную электропроводность во время и после циклов растяжения с деформацией 10%.

Улучшенные характеристики ТЭ на трехмерных поверхностях за счет соответствия

Благодаря этой высокой степени механической свободы и мягкости s-HC с низким тепловым импедансом, наш ТЭГ мог образовывать конформный контакт с различными трехмерными источниками тепла, что приводило к значительному улучшению ТЭ производительность на них.Чтобы четко продемонстрировать превосходную совместимость наших совместимых ТЭГ, мы изготовили эталонный ТЭГ (r-TEG), состоящий из ножек Bi ₂ Te ₃ TE и медных электродов, о которых широко сообщалось в предыдущих работах, и сравнили его деформацию при изгибе. с нашим совместимым ТЭГ (c-TEG). R-TEG показал грубую и угловую деформацию на нижней поверхности и даже откололся от подложки PDMS из-за концентрированной деформации растяжения (рис. 5a). С другой стороны, к-ТЭГ показал плавную и плавную деформацию (рис.5б). Более того, c-TEG сформировал идеальную окружность радиусом 7 мм без излома (рис. 5c). Чтобы систематически исследовать влияние улучшенной совместимости на характеристики TE на трехмерных источниках тепла, мы выполнили FEA, сравнив V _OC s r-TEG и c-TEG, которые прикреплены к изогнутому источнику тепла (рис. 5г, д). R-TEG не может полностью охватывать изогнутую поверхность, что приводит к нежелательным воздушным зазорам, которые существенно затрудняют передачу тепла от источника тепла к нижней поверхности TEG.Напротив, c-TEG идеально подходил к изогнутой поверхности без воздушных зазоров, облегчая гораздо лучшую теплопередачу к ножкам TE. Получающееся в результате V _OC было ~ 243 мВ, ~ 600% выше, чем у r-TEG. Эти результаты FEA подчеркивают, что наш подход может значительно повысить эффективность сбора энергии соответствующими ТЭГами на трехмерных источниках тепла. Чтобы дополнительно продемонстрировать надежный сбор энергии на трехмерных поверхностях, мы прикрепили совместимый ТЭГ к различным положениям алюминиевой чашки в форме колокола с анизотропной кривизной изгиба и контролировали V _OC ТЭГ, когда в воду заливали 78 ° C чашка (рис.5е). ТЭГ генерировал максимальное значение В _OC ~ 340 мВ, и не наблюдалось значительной разницы в разрешении по времени V _OC в соответствии с положением присоединения, что доказывает эффективный сбор тепла нашим совместимым ТЭГ независимо от формы источника тепла.

Рис. 5: Механическая совместимость совместимого ТЭГ.

a , b Фотографии изогнутых ТЭГ, содержащих ножки из Bi ₂ Te ₃ и медные электроды ( a ) и мягкие электроды на основе AgNW ( b ).На каждой вставке схематично показаны виды сбоку каждого ТЭГ соответственно. Шкала линейки 5 мм. c Фотографии ТЭГ, соответствующих требованиям, демонстрирующие отличную совместимость при различных деформациях. Масштабные линейки 1 см. d , e Результаты FEA, демонстрирующие различные характеристики деформации и теплопередачи, соответствующие характеристикам TE для ТЭГ с медными электродами ( d ) и мягкими электродами на основе AgNW ( e ). f Фотографии ТЭГ, прикрепленного к разным позициям (верхняя, средняя и нижняя сторона) алюминиевой чашки в форме колокола.ТЭГ установил конформный контакт с трехмерной (3D) поверхностью алюминиевой чашки. На среднем схематическом изображении показаны анизотропные кривизны изгиба каждого положения, в котором был прикреплен ТЭГ. Правый график показывает V _OC ТЭГ с временным разрешением, прикрепленного к трем положениям, когда в алюминиевый стакан наливается горячая вода. Шкала шкалы 2 см.

Носимые приложения с автономным питанием

Чтобы продемонстрировать полностью автономное носимое устройство, которое выдает предупреждение о резком повышении температуры, вызванном нашим совместимым ТЭГ, мы разработали гибкую печатную плату (f-PCB) с повышением преобразователь напряжения и пять светодиодов (LED) и интегрировал его с ТЭГ на 220 нп (рис.6a, b и дополнительный рисунок 23 для деталей). Когда Δ T _Applied составляло ~ 20 К, ТЭГ генерировал ~ 1,8 мВт при 0,56 В, а выходное напряжение повышающего преобразователя составляло ~ 1,66 В с ~ 1,1 мВт, чего было достаточно для включения светодиодов. . Примечательно, что наша система с гибкими схемами питалась только от совместимого ТЭГ без дополнительного источника питания. Минимальная Δ T _Applied, необходимая для включения светодиодов, была рассчитана как ~ 13 K (дополнительный рисунок 24). На рисунке 6c показаны входные и выходные напряжения повышающего преобразователя и результирующая работа светодиода, когда ТЭГ был помещен на горячую пластину для достаточного Δ T _Applied.Входное и выходное напряжения увеличивались до ~ 0,56 и ~ 1,66 В соответственно, мгновенно включались светодиоды после того, как ТЭГ был помещен на горячую пластину, а затем генерируемые напряжения постепенно уменьшались по мере достижения состояния теплового равновесия (рис. 6d). ). Мы также продемонстрировали «перчатки для предупреждения о горячих поверхностях», интегрировав автономную светодиодную систему и световые маскирующие пакеты в перчатки для духовки (рис. 6e). Когда прикрепленные к ТЭГ перчатки использовались для захвата различных горячих предметов, таких как стеклянная бутылка и чайник, конформный контакт между нашим ТЭГ и трехмерными поверхностями приводил к появлению яркого знака «H» из-за того, что светодиоды были включены без помощь внешнего источника питания (рис.6f и дополнительный фильм 2). Эта демонстрация подчеркивает возможность использования нашего высокопроизводительного совместимого ТЭГ в практических носимых устройствах.

Рис. 6. Носимые приложения с автономным питанием и высокопроизводительным совместимым TEG.

a Фотография совместимого с большой площадью ТЭГ и гибкой печатной платы (f-PCB) с повышающим преобразователем напряжения и пятью светодиодами (светодиодами). Правая фотография — увеличенный вид f-PCB. Масштабная линейка 2 см и 3 мм. b Принципиальная схема и оптическое изображение f-PCB для повышающего преобразования напряжения и работы светодиода. На блок-схеме показана последовательность действий с выходным напряжением и мощностью после каждого блока. c Входные и выходные напряжения повышающего преобразователя, когда ТЭГ помещен на электрическую плиту. d Оптические и инфракрасные изображения в реальном времени совместимого ТЭГ с повышающим преобразователем напряжения после того, как ТЭГ был помещен на горячую пластину. На фотографиях видно, что светодиоды включались сразу после контакта ТЭГ с горячей пластиной.Инфракрасные изображения показывают температуру верхней поверхности ТЭГ. Масштабные линейки 2 см. e Схематическое изображение перчаток для предупреждения о горячих поверхностях с автономной светодиодной системой и пакетами световой маскировки. f Фотографии, демонстрирующие использование перчаток с ТЭГ, когда они используются для захвата различных горячих предметов, таких как бутылка и чайник.

Генераторы термоэлектрические

Термоэлектрический генератор (ГТЭ, ТЭГ) — ТЕРМОИНТЕХ

Генератор Термоэлектрический (ГТЭ) — Описание

радиоизотопные и другие. Принцип работы генераторов энергии промышленного применения. Их устройство

Что это такое?

Устройство и принцип работы

Обзор типов

Сферы применения

Дровяные печи с электрогенератором

Термоэлектрические генераторы промышленного производства

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

Термические микроэлементы

S&PF MODUL — Принцип работы термоэлектрического генератора

Экспериментальное исследование характеристик отопительно-варочной термоэлектрической печи | Никитин

Уникальный материал для альтернативной энергетики создают в России

Альтернативная энергетика

Домашний термоэлектрический генератор Модули ТЭГ 100 Вт дровяной генератор

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ

Термоэлектрические модули работают по двум различным принципам

Выходная мощность определяется двумя критическими факторами

Мы поможем вам разработать ваш продукт!

Для завершения включим пример:

Как работают термоэлектрические генераторы | ООО «Прикладные термоэлектрические решения»

Как работают термоэлектрические генераторы

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

Высокопроизводительный носимый термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, переработки и реконфигурации, подобного Lego

Abstract

ВВЕДЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ

Конструкция и изготовление устройства

Выходная мощность и термоэлектрическая стойкость

Носимый ТЭГ и механические свойства

Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Lego

Улучшение характеристик ТЭГ на открытом воздухе с помощью пленки из метаматериала

ОБСУЖДЕНИЕ

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез материалов и изготовление устройств

Характеристики материалов

Измерение выходной мощности ТЭГ

Механические характеристики

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Полностью напечатанные термоэлектрические генераторы оригами для сбора энергии

Конструкция и высокоавтоматизированный процесс для совместимых ТЭГов

Термические и механические характеристики s-HC

Повышенная производительность TE с помощью s-HC

Механическая надежность соответствующего ТЭГ

Улучшенные характеристики ТЭ на трехмерных поверхностях за счет соответствия

Носимые приложения с автономным питанием

Читайте также

Глухозаземленная и изолированная нейтраль отличия: Режимы работы нейтрали в электроустановках и электрических сетях

Что такое дребезг контактов: Дребезг контактов, и как с ним бороться

Релейная защита трансформатора: Релейная защита силовых трансформаторов

Добавить комментарий Отменить ответ