Преобразование тепла в электричество: Как добыть электричество из тепла без турбин

Содержание

Как добыть электричество из тепла без турбин

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве.

В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество

Георгий Голованов

Материал нового типа, созданный австрийскими учеными, использует разницу температур для выработки электрического тока. Изобретение открывает дорогу к изготовлению энергонезависимых сенсоров и даже небольших процессоров.

14219

Термоэлектрические материалы превращают тепло в электроэнергию в результате эффекта Зеебека: если между двумя концами такого материала есть разница в температуре, возникает электрическое напряжение. Объем электрической энергии, которая вырабатывается таким образом, измеряется в показатели добротности, или ZT: чем он выше, тем лучше термоэлектрические свойства, пишет Phys.org.

«Хороший термоэлектрический материал должен в достаточной мере демонстрировать эффект Зеебека и отвечать двум важным требованиям, которые сложно примирить в одном материале, — объяснил профессор Эрнст Бауэр. — С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой — он должен проводить тепло как можно хуже. Это непросто, поскольку электро- и теплопроводность обычно идут рука об руку».

До сих пор наивысшим показателем ZT было значение около 2,5 — 2,8. Ученые из Технического университета Вены разработали совершенно новый материал с добротностью 5-6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия на кристалле кремния.

Новый материал оказался настолько эффективным, что его можно использовать для питания сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров, то есть он идеально подходит для устройств интернета вещей. Такая «батарейка» сделает их дешевле и компактнее, ведь дополнительных аккумуляторов или подвода питания не нужно — они сами будут генерировать достаточно электроэнергии за счет разницы температур.

Специалисты MIT решили проблему замены батареек в сенсорах на морском дне. Передатчик на поверхности посылает акустические волны, заставляя вибрировать пьезоэлектрический материал внутри сенсора. В результате колебаний возникает электрический ток, с помощью которого сенсор отражает модифицированный акустический сигнал обратно в приемник.

Facebook142Вконтакте19WhatsAppTelegram


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

УДК 621. 382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

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

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

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

Е-mail: [email protected]

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

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

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

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

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

E-mail: [email protected]

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

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

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

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

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона.

Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

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

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Библиографические ссылки

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

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

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

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

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

Создан материал, превращающий тепло в электричество с рекордной эффективностью

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

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

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

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

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

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

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

Преобразование тепла в электричество полупроводниками

«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников — материалов, которые преобразуют тепло в электричество.

Обычные термоэлектрики, которые существовали последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются»

Открытие, опубликованное в журнале [1] Science Advances, может обеспечить более эффективную выработку электроэнергии из тепла, используя такие источники, как выхлопные газы автомобилей, сброс тепла в промышленных процессах и прочее.

«Благодаря этому открытию можно будет производить больше электрической энергии из тепла, чем это делается сегодня». «Это то, о чем до сих пор никто даже не думал, что это возможно».

Открытие основано на крошечных частицах, называемых парамагнонами — веществах, которые не совсем магниты, но сохраняют некоторые магнитные свойства. Это важно, потому что у магнитов при нагревании ослабевает магнитное поле, и они приобретают так называемые парамагнитные свойства.

Поток магнетизма — это то, что ученые называют «спинами», создающими тип энергии, называемой термоэлектричеством магнонного сопротивления, которое до этого открытия не предполагалось использовать для сбора энергии.

«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников — материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существовали последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются».

Магниты привлекают внимание в качестве средства сбора тепловой энергии, когда одна сторона магнита нагревается, другая сторона — более холодная — намагничивается, вызывая спиновое вращение, которое приводит в движение электроны, создающие электрический ток. В то же время, при нагреве магнитов, они теряют большую часть своих магнитных свойств, превращаясь в парамагнетики — «почти, но уже не совсем магниты».

Исследовательская группа тестировала парамагноны, чтобы выяснить, могут ли они в определенных обстоятельствах создавать необходимое спиновое вращение, чтобы привести в движение электроны. По их словам, они обнаружили, что парамагноны действительно могут поддерживать этот процесс. И это, по их словам, позволяет генерировать электричество из тепла.

 

Ссылки:

1. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aat9461

 

Источник: ScienceDaily

принцип работы, применение, как сделать

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

Что такое термоэлектрический генератор?

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

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

Схема работы ТЭС

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

Принцип работы

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

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

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

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

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

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

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

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

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

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

Молекула вместо термопары

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

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

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

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

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

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

Радиоизотопные ТЭГ

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

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

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

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

Сфера применения РИТЕГ

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

Радиоизотопное «сердце» Кассини

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

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

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

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

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

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

Основные моменты сборки:

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

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

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

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

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

Пироэлектрическая нанопленка превратит тепло от электрического тока снова в ток

Shishir Pandya

Американские ученые получили пироэлектрический материал, преобразующий тепловую энергию в электрическую с рекордными значениями плотности энергии и коэффициента полезного действия. Этот материал представляет собой пленку сегнетоэлектрического релаксора толщиной 150 нанометров и в будущем его можно использовать для повышения эффективности потребления энергии, пишут ученые в Nature Materials.

Чтобы повысить эффективность потребления энергии, обычно стремятся свести к минимуму все ее возможные потери. Для этого можно или повышать эффективность первичного использования энергии, или каким-то образом использовать вторичную энергию, не использованную изначально. Один из вариантов второго подхода — использование тепловой энергии, которая выделяется в электронных устройствах. Поскольку на ненужный разогрев тратится до 70 процентов всей энергии, разработка эффективных способов преобразования тепла — актуальная проблема для современной энергетики развитых стран. Обычно для этого предлагают использовать термоэлектрические устройства, которые преобразуют в электричество разницу температур или более сложные устройства, например термогальванические ячейки, однако в поиске более эффективных методов ученые иногда предлагают и другие материалы и методы.

Американские ученые под руководством Лейна Мартина (Lane W. Martin) из Калифорнийского университета в Беркли разработали новый способ эффективного преобразования тепла, которое выделяется в проводах, в электрический ток. Для этого они предложили использовать пленку из материала, который на треть состоит из титаната свинца, а на две трети — из смешанного ниобата свинца и магния. Этот материал обладает свойствами сегнетоэлектрического релаксора, то есть при определенной температуре может переходить в поляризованное состояние, при этом такой переход происходит не скачком, а сильно растягивается по температуре. За счет этого материал можно использовать как пироэлектрик, то есть при нагревании в нем происходит разделение зарядов и возникает разность потенциалов.

Исследователи предложили использовать для преобразования тепла не объемный материал, а пленку толщиной всего 150 нанометров, что дает возможность для применения подхода в широком диапазоне температурных колебаний и электрических напряжений. Предложенную концепцию ученые проверили с помощью специального многослойного устройства, в котором можно было измерять пироэлектрический, сегнетоэлектрический и диэлектрический отклик материала в ответ на изменение температуры, а также при приложении внешнего электрического поля.

Схема устройства, в котором выделяющееся тепло используется для получения электрического тока. Пироэлектрическая пленка обозначена розовым цветом

S. Pandya et al./ Nature Materials, 2018

Результаты экспериментальных измерений показали, что использованный учеными материал значительно превосходит другие использующиеся для подобных целей пироэлектрики: его пироэлектрический коэффициент доходит до ​550 микрокулонов на квадратный метр при увеличении температуры на один градус. Кроме того, оказалось, что его пироэлектрический эффект можно контролируемо увеличивать за счет внешнего электрического напряжения. В результате ученым удалось достичь рекордных показателей для пироэлектрических материалов сразу по нескольким параметрам: плотность энергии достигла 1,06 джоуля на кубический сантиметр, плотность мощности — 526 ватт на кубический сантиметр. Эффективность этого материала тоже оказалась максимальной — 19 процентов от КПД цикла Карно. Эти показатели очень близки к параметрам лучших термоэлектрических материалов при разнице температур в 10 градусов.

Ученые отмечают, что следующим этапом работы станет оптимизация геометрии самой пленки и всего устройства для работы с реальными тепловыми потоками от проводящих элементов различных устройств. Однако исходя из полученных данных уже сейчас можно утверждать, что такие пироэлектрические пленки могут стать одним из наиболее эффективных материалов для преобразования вторичного тепла в полезную энергию.

Использованные учеными сегнетоэлектрические релаксоры — довольно необычный класс материалов, свойства которых до конца не изучены. Например, до сих пор не определена точная причина необычного растянутого фазового перехода релаксоров. Недавно ученые обнаружили, что это явление может быть связано с градиентной сменой упорядоченных и неупорядоченных с точки зрения химического состава областей внутри кристалла.

Александр Дубов

Превращение тепла в электричество | MIT News

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

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

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

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

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

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

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

Свободно пройденный путь

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

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

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

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

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

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

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

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

Уменьшение размера

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

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

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

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

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

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

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

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

исследователей нашли новый способ преобразования отработанного тепла в электричество для питания небольших устройств

Эта диаграмма показывает исследователям, как существует электрическая энергия в образце Fe3Ga. Кредит: © 2020 Sakai et al

Тонкий генератор на основе железа использует отходящее тепло для выработки небольшого количества энергии.

Исследователи нашли способ преобразовать тепловую энергию в электричество с помощью нетоксичного материала. В основном это железо, которое очень дешево, учитывая его относительное количество. Генератор на основе этого материала может питать небольшие устройства, такие как удаленные датчики или носимые устройства. Материал может быть тонким, поэтому ему можно придать различные формы.

Не бывает бесплатного обеда или бесплатной энергии. Но если ваши потребности в энергии достаточно низки, например, в случае небольшого датчика какого-либо типа, то есть способ использовать тепловую энергию для обеспечения вашего питания без проводов или батарей.Научный сотрудник Акито Сакаи и члены группы из его лаборатории Института физики твердого тела и факультета физики Токийского университета под руководством профессора Сатору Накацудзи и из отдела прикладной физики под руководством профессора Риотаро Арита предприняли шаги в этом направлении. goal с их инновационным термоэлектрическим материалом на основе железа.

Термоэлектрические устройства, основанные на аномальном эффекте Нернста (слева) и эффекте Зеебека (справа). (V) представляет направление тока, (T) градиент температуры и (M) магнитное поле.Кредит: © 2020 Sakai et al

«До сих пор все исследования термоэлектрической генерации были сосредоточены на установленном, но ограниченном эффекте Зеебека», — сказал Накацудзи. «Напротив, мы сосредоточились на относительно менее известном явлении, называемом аномальным эффектом Нернста (АНЭ)».

ANE создает напряжение, перпендикулярное направлению температурного градиента на поверхности подходящего материала. Это явление может помочь упростить конструкцию термоэлектрических генераторов и повысить их эффективность преобразования, если подходящие материалы станут более доступными.

Диаграмма, показывающая узловую сетевую структуру, ответственную за аномальный эффект Нернста. Кредит: © 2020 Sakai et al

«Мы сделали материал, который на 75 процентов состоит из железа и на 25 процентов из алюминия (Fe3Al) или галлия (Fe3Ga), с помощью процесса, называемого легированием», — сказал Сакаи. «Это значительно повысило ANE. Мы увидели 20-кратный скачок напряжения по сравнению с нелегированными образцами, что было захватывающе ».

Это не первый раз, когда команда демонстрирует ANE, но в предыдущих экспериментах использовались материалы, менее доступные и более дорогие, чем железо.Привлекательность этого устройства отчасти заключается в его дешевизне и нетоксичности, но также в том, что оно может быть изготовлено в виде тонкой пленки, чтобы его можно было формовать для различных применений.

«Тонкие и гибкие конструкции, которые мы теперь можем создавать, могут собирать энергию более эффективно, чем генераторы, основанные на эффекте Зеебека», — пояснил Сакаи. «Я надеюсь, что наше открытие может привести к созданию термоэлектрических технологий для питания носимых устройств, удаленных датчиков в труднодоступных местах, где использование батарей нецелесообразно, и многого другого.”

До недавнего времени такое развитие материаловедения в основном происходило в результате повторяющихся итераций и уточнений в экспериментах, которые требовали много времени и были дороги. Но команда в значительной степени полагалась на вычислительные методы для численных расчетов, эффективно сокращая время между первоначальной идеей и доказательством успеха.

«Численные расчеты внесли большой вклад в наше открытие; например, высокоскоростные автоматические вычисления помогли нам найти подходящие материалы для испытаний », — сказал Накацудзи.«Расчеты из первых принципов, основанные на квантовой механике, сокращают процесс анализа электронных структур, которые мы называем узловыми паутинами, которые имеют решающее значение для наших экспериментов».

«До сих пор такой вид числовых вычислений был чрезмерно трудным», — сказал Арита. «Мы надеемся, что не только наши материалы, но и наши вычислительные методы могут быть полезными инструментами и для других. Мы все стремимся когда-нибудь увидеть устройства, основанные на нашем открытии ».

###

Ссылка: «Бинарные ферромагнетики на основе железа для поперечного термоэлектрического преобразования» Акито Сакаи, Сусуму Минами, Такаши Корецунэ, Тайши Чен, Томоя Хиго, Янмин Ван, Такуя Номото, Мотоаки Хираяма, Синдзи Мива, Дайсуке Нишио-Хаманеи, Фумий Фумий Рётаро Арита и Сатору Накацудзи, 27 апреля 2020 г. , Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

Эта работа частично поддержана CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Японским агентством науки и технологий, грантами на научные исследования в инновационных областях (JP15H05882 и JP15H05883) Министерства образования, культуры и спорта, Наука и технологии Японии, а также грантами на научные исследования (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) Японского общества содействия науке (JSPS). Работа по расчету из первых принципов была частично поддержана JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovation Area (JP18H04481 и JP19H05825) и MEXT как приоритетный социальный и научный вопрос (Создание новых функциональных устройств и высокопроизводительных материалов). для поддержки отраслей следующего поколения), с которой можно будет справиться с помощью компьютера post-K (hp180206 и hp1

).

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Профессор Эрнст Бауэр в лаборатории. Предоставлено: TU Wien.

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток из-за разницы температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам обеспечивать себя энергией по беспроводной сети.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию.Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если между двумя концами такого материала существует разница температур, может возникнуть электрическое напряжение, и ток может протечь. Количество электроэнергии, которое может быть произведено при заданной разнице температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие на сегодняшний день термоэлектрики были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученым из TU Wien (Вена) удалось разработать совершенно новый материал со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли вырабатывать собственное электричество за счет разницы температур. Новый материал размещен в журнале Nature .

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен обладать сильным эффектом Зеебека и соответствовать двум важным требованиям, которые трудно согласовать», — говорит проф.Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела Венского технического университета. «С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой стороны, он должен как можно хуже переносить тепло. Это проблема, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В лаборатории термоэлектричества им. Христиана Доплера, которую Эрнст Бауэр основал в Венском техническом университете в 2013 году, в течение последних нескольких лет изучались различные термоэлектрические материалы для различных применений.Это исследование привело к открытию особенно замечательного материала — комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно расположены строго регулярным образом в так называемой гранецентрированной кубической решетке», — говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно и для других типов атомов.Таким образом, весь кристалл полностью нормальный ».

Однако, когда на кремний наносится тонкий слой материала, происходит нечто удивительное: кардинально меняется структура. Хотя атомы по-прежнему образуют кубический узор, теперь они расположены в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится полностью случайным. «Два атома железа могут находиться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует правила, определяющего, где должен находиться следующий атом железа в кристалле», — объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и неправильности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле. «Электрический заряд движется через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля», — говорит Эрнст Бауэр. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются из-за неоднородностей кристаллической структуры.Следовательно, теплопроводность снижается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно вырабатываться из-за разницы температур — потому что, если разницы температур могут уравновеситься очень быстро и весь материал вскоре будет иметь одинаковую температуру повсюду, термоэлектрический эффект прекратится.

Электроэнергия для Интернета вещей

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но он имеет то преимущество, что он чрезвычайно компактен и легко адаптируется», — говорит Эрнст Бауэр.«Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных устройств». Спрос на такие маломасштабные генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств соединяются в сети, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно многообещающе для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамически реагировать на другую.

«Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не можете соединить их все вместе.Гораздо разумнее, чтобы датчики могли генерировать собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства », — говорит Бауэр.


Как заморозить теплопроводность
Дополнительная информация: B. Hinterleitner et al.Термоэлектрические характеристики метастабильного тонкопленочного сплава Гейслера, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1751-9 Предоставлено Венский технологический университет

Цитата : Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество (2019, 14 ноября) получено 4 марта 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-11-material-world-electric.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

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

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

Анатолий / iStock.com

Автор Роберт Ф. Сервис

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

«Это показывает, что вы можете улучшить производительность [этих устройств] до очень достойного уровня», — говорит Ганг Чен, инженер-механик из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в исследовании. Он добавляет, будет ли этого достаточно, чтобы сделать технологию коммерчески успешной. «Низкопотенциальное отходящее тепло есть повсюду. Но его сбор стоит денег.”

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

Как работают термоэлектрики? — Power Practical

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


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

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

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

На этом рендеринге показано распределение температуры в PowerPot во время работы, при этом некоторые детали удалены для ясности.

Предпосылки создания термоэлектриков

Термоэлектрическая мощность — это преобразование перепада температур непосредственно в электрическую мощность. Термоэлектрическая энергия возникает в основном за счет двух физических эффектов: эффекта Зеебека и эффекта Пельтье.

Эффект Зеебека назван в честь Томаса Дж. Зеебека, который первым открыл это явление в 1821 году. Зеебек заметил, что когда петля, состоящая из двух разнородных материалов, нагревается с одной стороны, создается электромагнитное поле. Он действительно открыл электромагнитное поле прямо с помощью компаса! Он отметил, что сила электромагнитного поля и, следовательно, напряжение пропорциональны разнице температур между горячей и холодной сторонами материала, которая создает разницу напряжений. Величина коэффициента Зеебека (S) зависит от материала и температуры эксплуатации. Таким образом, коэффициент Зеебека определяется как:

В этом уравнении ΔV — это разность напряжений между горячей и холодной сторонами, ΔT — это разница температур между горячей и холодной сторонами.Отрицательный знак происходит от отрицательного заряда электрона и правил протекания тока. Отрицательный коэффициент Зеебека приводит к тому, что электроны являются доминирующими носителями заряда (n-тип), тогда как дырки являются доминирующими носителями заряда (p-тип) в материалах с положительным коэффициентом Зеебека. Говорят, что большинство носителей заряда движутся от нагретой стороны к более холодной стороне. Неосновные носители заряда движутся в противоположном направлении, но с меньшей скоростью из-за фононного увлечения и скорости диффузии носителей заряда. Таким образом, для протекания тока в устройстве требуются материалы как n-типа, так и p-типа.

Что нужно помнить об эффекте Зеебека:

  • В твердых телах есть носители заряда, которые способствуют передаче электроэнергии
  • Носители заряда бывают двух видов: отрицательные электроны «n-типа» и положительные «дырки», которые мы используем для отслеживания подвижного положительного заряда в твердых телах «p-типа»
  • Нагревание одного конца проводящего твердого тела увеличивает концентрацию носителей заряда, и распределение заряда создает напряжение, которое можно измерить, это называется эффектом Зеебека

Эффект Пельтье был впервые открыт в 1834 году Жаном К.А. Пельтье, в честь которого он был назван. Пельтье обнаружил, что всякий раз, когда в цепи из двух разнородных материалов проходит ток, тепло поглощается на одном конце перехода и выделяется на другом. Это линейно зависимый и термодинамически обратимый процесс, в отличие от джоулева нагрева, который является необратимым и квадратичным по своей природе средним. Этот процесс формирует основу для термоэлектрического охлаждения и контроля температуры, это в настоящее время наиболее широкое применение термоэлектрических устройств.

Однако, применяя перепад температур, происходит обратный процесс, и ток течет, тем самым генерируя мощность.На рисунке ниже показано устройство TEP как в конфигурации охлаждения, так и в конфигурации выработки электроэнергии.

Термоэлектрический охладитель (слева) и генератор энергии (справа). Текущий поток отмечен в направлении электронов.

Эффективность, с которой материал способен генерировать энергию, определяется добротностью (Z). Как видно из приведенного ниже уравнения, добротность больше всего зависит от коэффициента Зеебека материала.

В приведенном выше уравнении добротность определяется в терминах коэффициента Зеебека, электропроводности и теплопроводности.Для получения максимальной мощности требуется минимизация теплопроводности при максимальном коэффициенте Зеебека и электропроводности.

PowerPot — это термоэлектрический генератор, который использует тепло для выработки электроэнергии. PowerPot не имеет движущихся частей или батарей, а поскольку термоэлектрическая технология встроена в дно кастрюли, она может производить электричество из самых разных источников тепла. Просто добавьте воды и поставьте PowerPot на огонь (например,грамм. дерево, пропан, бутан, спирт, газ), и через несколько секунд он начнет вырабатывать электричество. Просто подключите высокотемпературный кабель к задней части кастрюли и смотрите, как ваши USB-устройства безопасно заряжаются от огня.

Чем больше разница температур между водой в кастрюле и дном кастрюли, тем больше электроэнергии будет производить PowerPot. Например, тающий снег в PowerPot — отличный способ вырабатывать электричество, потому что снег намного холоднее пламени. Однако вам не нужно беспокоиться о перегрузке вашего устройства, потому что PowerPot имеет встроенный регулятор, который гарантирует, что вы безопасно заряжаете свои USB-устройства. Регулятор выдает 5 вольт (стандарт USB) и ток до 1000 миллиампер, что является максимумом, с которым может справиться любой смартфон / MP3-плеер на рынке. Это означает, что при зарядке USB-устройства с помощью PowerPot у вас будет такое же время зарядки, как и от домашней розетки.

Разработан самый эффективный термоэлектрический материал в мире

Примерно 90 процентов электроэнергии в мире вырабатывается за счет тепловой энергии. К сожалению, системы производства электроэнергии работают с КПД от 30 до 40 процентов, что означает, что около двух третей потребляемой энергии теряется в виде отработанного тепла.Несмотря на это, неэффективность существующих термоэлектрических материалов, которые могут преобразовывать отработанное тепло в электричество, означает, что их коммерческое использование ограничено. Теперь исследователи разработали термоэлектрический материал, который, по их утверждениям, является лучшим в мире для преобразования отработанного тепла в электричество, потенциально обеспечивая практический способ улавливать часть энергии, которая в настоящее время теряется.

Новый материал на основе обычного теллурида полупроводников является экологически устойчивым и, как ожидается, преобразует от 15 до 20 процентов отходящего тепла в электричество.Исследовательская группа, состоящая из химиков, материаловедов и инженеров-механиков из Северо-Западного университета и Университета штата Мичиган, говорит, что материал демонстрирует термоэлектрическую добротность (или «ZT») 2,2, что, по их утверждениям, является самым высоким показателем на сегодняшний день.

Чем выше ZT материала, тем эффективнее он преобразует тепло в электричество. Хотя теоретического верхнего предела ZT нет, ни один из известных материалов не показывает ZT выше 3. Исследователи полагают, что ZT равен 2.2, новый материал достаточно эффективен для использования в практических приложениях и может привести к более широкому распространению термоэлектриков в промышленности.

«Наша система является самой эффективной термоэлектрической системой при любой температуре», — сказал Меркури Г. Канатзидис, руководивший исследованием. «Этот материал может преобразовывать тепло в электричество с максимально возможной эффективностью. На этом уровне есть реальные перспективы рекуперации высокотемпературного отходящего тепла и превращения его в полезную энергию».

Обладая огромным потенциалом у термоэлектриков для восстановления части тепловой энергии, которая в настоящее время теряется, они были в центре внимания многих исследований, которые показали, что в последние годы они значительно улучшились.Настолько, что марсоход Curiosity оснащен термоэлектрическими элементами из теллурида свинца, хотя его система имеет ZT только 1. BMW также тестирует системы для сбора тепла из выхлопных систем и двигателей внутреннего сгорания своих автомобилей.

Помимо улавливания части теряемой тепловой энергии, выделяемой через выхлопную трубу транспортного средства, новый материал может использоваться в отраслях тяжелой промышленности, включая производство стекла и кирпича, нефтеперерабатывающие заводы, угольные и газовые электростанции, а также на крупных судах и танкеры, на которых постоянно работают большие двигатели внутреннего сгорания. Такие применения считаются идеальными, поскольку температуры отходящего тепла в этих областях могут варьироваться от 400 до 600 градусов по Цельсию (от 750 до 1100 градусов по Фаренгейту), что является оптимальным вариантом для использования термоэлектриков.

Статья команды, описывающая разработку нового материала, опубликована в журнале Nature .

Источник: Северо-Западный университет

Преобразование тепла в электричество с помощью карандаша и бумаги — ScienceDaily

В термоэлектрическом эффекте нет ничего нового — он был открыт почти 200 лет назад Томасом Дж.Зеебек. Если соединить два разных металла вместе, то может возникнуть электрическое напряжение, если один металл теплее другого. Этот эффект позволяет частично преобразовать остаточное тепло в электрическую энергию. Остаточное тепло является побочным продуктом почти всех технологических и естественных процессов, например, на электростанциях и во всех бытовых приборах, а также в организме человека. Это один из крупнейших недоиспользуемых источников энергии в мире, который обычно полностью не используется.

Крошечный эффект

К сожалению, какой бы полезный эффект ни был, в обычных металлах он чрезвычайно мал.Это связано с тем, что металлы обладают не только высокой электропроводностью, но и высокой теплопроводностью, поэтому разница температур сразу исчезает. Термоэлектрические материалы должны иметь низкую теплопроводность, несмотря на их высокую электропроводность. Термоэлектрические устройства, изготовленные из неорганических полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута, уже сегодня используются в определенных технологических приложениях. Однако такие материальные системы дороги, и их использование окупается только в определенных ситуациях.Например, гибкие нетоксичные органические материалы на основе углеродных наноструктур также исследуются для использования в организме человека.

Карандаш HB и сополимерный лак

Команда под руководством профессора Норберта Никеля из HZB показала, что эффект можно получить гораздо проще: используя обычный карандаш класса HB, они покрыли карандашом небольшой участок на обычной фотокопировальной бумаге. В качестве второго материала они нанесли на поверхность прозрачную проводящую сополимерную краску (PEDOT: PSS).

Выясняется, что карандашные следы на бумаге дают напряжение, сравнимое с другими гораздо более дорогими нанокомпозитами, которые в настоящее время используются для гибких термоэлектрических элементов. И это напряжение можно было увеличить в десять раз, добавив в графит из карандаша немного селенида индия.

Объяснение плохого переноса тепла

Исследователи исследовали покрывающие пленки из графита и сополимера с помощью сканирующего электронного микроскопа и спектроскопических методов (комбинационное рассеяние) в HZB.«Результаты были очень неожиданными для нас», — объясняет Никель. «Но теперь мы нашли объяснение того, почему это работает так хорошо: карандашный осадок, оставленный на бумаге, образует поверхность, характеризующуюся неупорядоченными чешуйками графита, небольшим количеством графена и глины. Хотя это лишь немного снижает электропроводность, тепло переносится очень сильно. менее эффективно «.

Outlook: гибкие компоненты, напечатанные прямо на бумаге

Эти простые компоненты могут быть использованы в будущем для печати термоэлектрических компонентов на бумаге, которая будет чрезвычайно недорогой, экологически чистой и нетоксичной.Такие крошечные и гибкие компоненты также можно использовать непосредственно на теле и использовать тепло тела для управления небольшими устройствами или датчиками.

История Источник:

Материалы предоставлены Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *