Термоэлектрогенератора: Термоэлектрогенератор

Содержание

Термоэлектрогенератор

За неполные двести лет существования электрогенераторов люди успели придумать множество способов добычи электроэнергии, преобразуя в неё, кажется, всё что угодно. Любое вещество или явление, которое хоть как-то может поспособствовать получению электричества, тут же превращается в движущую силу очередного генератора. На очереди устройство, напрямую превращающее тепловую энергию в электрическую, – термоэлектрогенератор.

Принцип действия такого генератора основан на использовании термоэлектрического эффекта: разность температур двух рабочих элементов создаёт термоэлектродвижущую силу, и при замыкании этих элементов на внешнюю цепь по ней начинает течь электрический ток.

По виду источника тепла различают несколько типов термоэлектрогенераторов:

·         Топливные. Источником энергии в таких устройствах служит тепло от сжигания топлива (газа, нефти, угля и т.д.). Топливные термоэлектрогенераторы применяются на ТЭС и в других областях энергетики.

·         Радиоизотопные. Тепло получают в результате распада изотопов, при этом сам распад протекает неконтролируемо, а работа определяется периодом полураспада элемента.

·         Атомные. В качестве энергии используется тепло атомного реактора.

·         Солнечные. Тепло скапливается на солнечных коллекторах: зеркалах, линзах, тепловых трубах. Солнечные генераторы получают широкое распространение в настоящее время, поскольку развитие солнечной энергетики видится наиболее перспективным.

·         Утилизационные. Тепло добывается из любых источников, выделяющих его: выхлопные и печные газы, преющие отходы и т.д.

Главное преимущество термоэлектрогенераторов заключается в их высоком КПД: атомные и изотопные генераторы достигают КПД в 95-98%, а средний уровень КПД таких генераторов держится на уровне 65-70%, что является очень высоким показателем. Кроме того, в качестве источника тепла в таких устройствах могут быть использованы различные вещества, что повышает технологичность генератора. Ещё одним достоинством этого типа генераторов можно назвать широкий диапазон температур, в котором эти устройства могут работать.

Среди недостатков термоэлектрогенератора можно выделить высокую стоимость этих устройств: большинство из них имеют в составе редкие элементы, а сама технология преобразования тепла в электричество предполагает наличие сложных механизмов.

Термоэлектрогенераторы применяются во многих сферах энергетики, в основном для питания основной электростанции. Такие типы генераторов, как радиоизотопные и атомные, используются для обеспечения электроэнергией космических аппаратов, действующих на значительном удалении от Земли. Благодаря длительному периоду распада радиоактивных элементов такие аппараты могут снабжаться электричеством в течение нескольких сотен лет. 

Термоэлектрогенератор — Энциклопедия по машиностроению XXL

Термоэлектрические преобразователи. Солнечные термоэлектрогенераторы разрабатываются двух типов [160] без солнечных концентраторов  [c. 192]

Повышение к. п. д. термоэлектрогенератора путем снижения температуры холодных спаев достигается в космических условиях с помощью дополнительных излучающих ребер с нанесенным покрытием (е>0,85).  [c.195]

Рис. 8-12. Зависимость к. и. д. солнечного термоэлектрогенератора от температур горячих и холодных спаев и коэффициента К.

Перспективным является применение в солнечных термоэлектрогенераторах концентраторов с покрытием на теневой стороне, обладающим высоким значением степени черноты, что увеличивает температурный перепад и повышает к. л. д.  [c.196]

Принцип, на котором работает наша электростанция, называемая термоэлектрогенератором, был открыт очень давно, еще в 1821 году. Немецкий ученый Т. Зеебек установил, что если спаять концы двух проволочек из разных металлов и затем один из спаев нагреть, а другой охладить, то по проволочкам пойдет ток.

[c.86]

Устройство нашего термоэлектрогенератора не сложно. В этом колпаке находятся полупроводниковые элементы, соединенные последовательно друг с другом. Спаи, обращенные к стеклу лампы, нагреваются ее пламенем, обращенные наружу, охлаждаются воздухом. Чтобы увеличить охлаждение, и сделаны выступающие пластины…  [c.87]

Помню, как я был изумлен этим рассказом… Тогда это казалось почти чудом. Да и не только мне. Фотографии термоэлектрогенератора, выпускаемого в Советском Союзе, обошли весь мир. На зарубежных выставках у этого экспоната останавливались толпы людей.  [c.87]

К сожалению, пока это невозможно. Лучшие полупроводниковые термоэлектрогенераторы превращают в электрический ток не больше десяти процентов тепла. Это в три-четыре раза меньше, чем удалось достигнуть на электростанциях обычного типа.  

[c.87]

Батареи термоэлектрогенераторов могут также обогреваться солнечными лучами. Даваемая ими электрическая мощность будет в этом случае тем больше, чем большее количество лучистой энергии в единицу вре-  [c.204]

ТИГ могут использоваться в комбинации с паротурбинными или газотурбинными установками, при этом общий к. п. д. установки повышается до 50—60%. Возможно использование ТИГ в комбинации с термоэлектрогенератором. В этом случае ТИГ будет работать в зоне высоких температур, а термоэлектрогенератор — в зоне низких температур цикла.  

[c.106]

Термоэлектрогенератор представляет собой батарею последовательно или параллельно соединенных термоэлектрических элементов, в которых при нагреве горячего спая и охлаждении холодного спая возникает электрический ток определенной силы и напряжения (согласно законам Зеебека, Пельтье и Томсона).  [c.108]

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова 14 августа 1964 г. вступил в эксплуатацию ядерный реактор-преобразователь Ромашка . Это первая в мире установка, в которой осуществлено непосредственное преобразование тепловой энергии ядер-ной реакции в электрический ток с помощью термоэлектрогенератора из полупроводниковых термоэлементов.

[c.111]

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников питания на космических объектах. В США разрабатывается термоэлектрогенератор Sисточником тепла в котором служит радиоактивный изотоп полония (Ро ). Материал термоэлементов в этом генераторе — теллуриды свинца р и п-типов. Температура горячего спая 593° С, холодного спая — 204° С. Примерно 27 пар термоэлементов. Напряжение при макси-  

[c.111]


Разрабатываются термоэлектрогенераторы, тепло к которым подводится от ядерного реактора с помощью жидкометаллических теплоносителей, циркулирующих в первом контуре реакторной установки.  [c.112]

Предполагается использовать в качестве одной ветви термоэлемента карбид урана. Для получения разности потенциалов 1 В требуется температура горячего спая 1000° С. При 2000° С ток может достигать 50—60 А/см поверхности карбида урана с напряжением 2 В. Это позволяет получить электрическую мощность более 750 Вт на 1 см поверхности термоэлектрогенератора. Материалом второй ветви могут служить, например, пары цезия.  

[c.112]

Если мощность термоэлектрогенераторов достигнет величин 1000—5000 кВт при к. п. д. 15—20% и при приемлемой стоимости установленного киловатта, то они найдут широкое применение как в стационарных энергетических установках малой мощности, так и в различных транспортных установках.  [c.112]

Создание подобных установок связано с решением многих технических проблем, включая создание систем приема, преобразования и передачи вырабатываемой солнечными термоэлектрогенераторами электроэнергии.  [c.113]

Приступим теперь к анализу процессов, происходящих в термоэлектрогенераторе. Как и всякая тепловая машина, термоэлектрогенератор может превращать тепло в работу только в том случае, если имеются источники тепла с разными температурами.  

[c. 404]

Если обозначить электрическое сопротивление собственно термоэлектродов через г, а внешнее сопротивление через R, то работа электрического тока, величина которой определяется уравнением (12-8), будет расходоваться на преодоление внутреннего сопротивления (джоулевы потери внутри термоэлектрогенератора ( д,) и на преодоление внешнего сопротивления, т. е. на совершение полезной внешней работы Следовательно, можно записать, что  

[c.405]

Что касается джоулева тепла выделяющегося в электродах термоэлектрогенератора, то с достаточной степенью точности можно считать, что половина этого количества тепла поступает к горячему спаю (т. е. в горячий источник), а другая половина — к холодному спаю (т. е. в холодный источник).  [c.405]

Итак, в процессе работы термоэлектрогенератора из горячего источника отбирается тепло Пельтье QI и тепло Q , отводимое путем теплопроводности. В то же время горячему источнику возвраш ается примерно половина количества тепла, выделяюш егося в виде джоулевых потерь в термоэлектродах. Следовательно, количество тепла отбираемого из горячего источника, равно  [c.405]

Обычно термоэлектрическую цепь термоэлектрогенератора выполняют не так, как изображено на рис. 12-2, а так, как показано на рис. 12-3, — цепь  [c.406]

Подставив в уравнение (12-10) значения и L из уравнений (12-21) и (12-14), получим следующее выражение, определяющее величину силы тока в цепи термоэлектрогенератора  [c.407]

С учетом (12-26), (12-27), (12-28) и (12-20) уравнение (12-15) для термического к. п. д. термоэлектрогенератора может быть представлено в следующем виде  [c.408]

Как видно из этого выражения, термический к. п. д. термоэлектрогенератора зависит от температур и Т , величины v и свойств термоэлектродных материалов (величины Л, г и а).  [c.408]

Очевидно, что вторая дробь, стоящая в правой части уравнения (12-29а),. всегда меньше единицы она учитывает уменьшение термического к. п. д. термоэлектрогенератора по сравнению с термическим к. п. д. цикла Карно, обусловленное необратимыми потерями вследствие теплопроводности и выделения джоулева тепла.  [c.408]

Аналогичным образом для определения оптимального значения т] следует продифференцировать по v уравнение (12-29а) с последующим приравниванием полученного результата нулю. Этот расчет показывает, что максимального значения термический к. п. д. термоэлектрогенератора достигает при  [c.409]

На рис, 12-4 приведен рассчитанный по уравнению (12-35а) график зависимости rij термоэлектрогенератора от z для разных значений Г, при  [c.409]

Перспективы создания эффективных термоэлектрогенераторов определяются возможностью получения материалов термоэлектродных пар с высоким значением z. При этом важно, чтобы эти материалы были устойчивы при высоких температурах.  [c.409]

На рис. 8-12 показаны значения к. п. д. солнечного термоэлектрогенератора при различных значениях Ti, Т2, К, где K—AaJA —коэффициент концентратора солнечной радиации.[c.195]


На рис. 8-16 показана схема маломощного изотопного термоэлектрогенератора SNAP-3 с поверхностью корпуса, имеющей покрытие с высокой степенью черноты и достаточной для охлаждения холодного спая. Типичные схемы для более мощных термоэлектрогенераторов показаны на рис. 8-17 [160].  [c.197]

Практически во всех аппаратах, использующих лучистую энергию Солнца (фотовольтаические преобразователи, термоэлектрогенераторы, термоэмиссионные преобразователи, водонагреватели, опреснители, кондиционеры, холодильники и т. д.), используются покрытия с высокими значениями излучательной и поглощательной способностей.  [c.217]

В плоской термоэлектрической батарее оба электроизоляционных перехода представляют собой плазменно напыленный на коммутационные пластины алунд (АЦО,) толщиной 2-10- м. Покрытие пропитано кремнийоргани-ческим лаком (для улучшения диэлектрических свойств) и контактирует с поверхностями теплопроводов из 12Х18Н9Т через герметик У-1-18. При этом термосопротив ления переходов, равные 2-10- и 3-10- м -К/Вт со Topoi ны холодного Тхп = 323 К) и горячего (Тг = 523 К) теплопроводов соответственно (как в вакууме, так и в воздухе), вместе составляют 15% от общего термосопротивления батареи. Известно, что выражение для абсолютного электрического к.п.д. термоэлектрогенератора имеет вид  [c.218]

Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение вследствие простоты монтажа и эксплуатации, высокой технологичности и невысокой стоимости. Обычно применяют сетевые источники питания, представляющие собой специальные выпрямители (катодные станции). В значительно меньших объемах применяют автономные катодные станции, содержащие источники постоянного тока термоэлектрогенераторы, турбоальтертаторы, фотоэлектрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания с электрическими генераторами. Катодная защита осуществляется установкой, включающей катодную станцию, дренажную линию, анодное заземление и контрольно-измерительные пункты (рис. 31). Отрицательная клемма катодной станции соединяется катодной дренажной линией с защищаемым сооружением. Место соединения дренажной линии с сооружением называется точкой дренажа. Положительная клемма катодной станции соединяется анодной дренажной линией с заземлением, называемым анодным. Ток, стекающий с анодного заземления в землю, вызывает растворение анодных заземлителей. Поэтому с целью обеспечения долговечности анодного заземления стараются использовать малорастворимые анодные материалы.  [c.76]

Разработан принципиально новый проект солнечной электроста нции мощностью 10 тыс. кет для Средней Азии, по которому паровой котел заменяется термоэлектрогенераторами из полупроводниковых материалов. Солнечная энергия на такой станции будет перерабатываться непосредственно в электрическую, минуя стадию механической энергии. Проверка этой станции в работе позволит найти наиболее выгодные конструктивные решения для большой солнечной энергетики будущего.  [c. 86]

Размеры термоэлемента тем меньшие, чем большее количество тепла подводится через каждый квадратный сантиметр горячего спая. О возможной величине к. п. д. термоэлектрогенератора можно судить по рис. 58. Температуростойкость полупроводниковых материалов различна. Так, сплав Bi—Те допускает максимальную рабочую температуру 300° С, Ge—S,i — 800° С, Си— Те—S—1100° С. Применяемые в настоящее время полупроводниковые материалы имеют коэффициент эффективности 2 не более 2-10 град- (например, BiTe—BiaSea).  [c.110]

При эксплуатации термоэлектрогенераторов указанные выше к. п. д. могут уменьшаться из-за изменения свойств материала ветвей термоэлементов и соединений термоэлементов в батарее В настоящее время применяются три способа соединения терме элементов прессование, металлургические методы (пайка, сварка заливка жидким металлом) и жидкометаллический контакт Все три способа обеспечивают срок службы термоэлектрогенера торов более 10 ООО ч. Коэффициенты термического расширения полупроводниковых и коммутирующих материалов должны подби раться близкими по величине во избежание растрескивания кон тактов.[c.111]

На рис. 59 показано устройство ядерного термоэлектрогенератора SNAP-10. При мощности 250 Вт и напряжении 28 В применено 768 термоэлементов, расположенных в 32 группах по 24 элемента в каждой. Активная зона реактора состоит из круглых пластин, горючим в которых служит а замедлителем —гидрид циркония, разделенных пластинами из бериллия. При применении бериллия в качестве замедлителя рабочая температура может быть повышена и мощность увеличена в несколько раз. Высота реактора 230 мм, диаметр 300 мм. Реактор разделен на две половины (подкритические массы), при сближении которых возникает цепная реакция. Термоэлементы отделены от несущей конструкции слоем электроизоляционного материала. Между термоэлементами имеется тепловая изоляция, уменьшающая утечки тепла.  [c.112]

В будущем следует ожидать расширения области применения термоэлектрогенераторов с неводяными рабочими телами. Ведутся исследования по использованию органических веществ в термоэлектрогенераторах для использования солнечной энергии. Рассматриваются проекты установок единичной мощностью до 20 млн. кВт на основе достижений в космической технике.  [c.113]

Термоэлектрический эффект может быть использован и для целей производства электроэнергии. Впервые вопрос о создании термоэлектрического генератора, основанного на использовании эффекта Зеебека, был поставлен еще в 1885 г. английским физиком Д. У. Рэлеем. Однако долгое время эта идея не была реализована вследствие того, что известные в то время термоэлектродные материалы позволяли соорудить термоэлектрические генераторы лишь с очень малым значением термического к. п. д. В 1929 г. советский физик А. Ф. Иоффе указал на большую перспективность использования в термоэлектрогенераторах полупроводниковых термоэлектродов. Дальнейшие работы А. Ф. Иоффе и его сотрудников, а также работы зарубеж-  [c.403]



Термоэлектрогенератор — Справочник химика 21

    Термоэлектрогенераторы и агрегаты с турбинками применяются в виде опытных установок.[c.170]

    Годовую стоимость защиты 1 км трубопровода катодной станцией с термоэлектрогенератором определяют по формуле [c.203]

    В качестве источника тока применяют выпрямители, двигатели внутреннего сгорания, ветряные двигатели с генераторами постоянного тока, термоэлектрогенераторы и т.д. [c.153]

    Автоматизированные электростанции с термоэлектрогенераторами аппаратура связи, телемеханики и автоматики  [c.41]


    Мачты (башни) и сооружения необслуживаемой малоканальной радиорелейной связи трубопроводов, термоэлектрогенераторы 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 [c.42]

    Если сравнивать термоэлектрогенератор с аккумуляторной батареей или с любым другим аналогичным устройством, то последние при низких температурах практически перестают работать. Для термогенератора же низкие температуры даже предпочтительнее — в этом случае возрастает важный технический параметр — разность температур спаев ТЭГ.[c.33]

    Термоэлектрогенератор дает напряжение, которое является суммой термоЭДС каждого элемента, умноженной на разность температур. [c.34]

    Термоэлектрогенератор — идеальный источник тока для межпланетных сообщений. Единственный его конкурент в данном применении — фотоэлемент — перестает работать в отсутствии Солнца или на значительном удалении от него (за орбитой Марса). Источником же теплоты для термоэлектрогенератора могут быть радиоактивные изотопы, период полураспада которых составляет сотни и тысячи лет. [c.35]

    Интересным применением термоэлектрогенератора является электростимулятор сердечной мышцы — термоэлемент, который вживляется под кожу пациента. Здесь источником теплоты также служит радиоактивный изотоп. [c.35]

    Разумеется, термоэлектрогенераторы находят широкое применение и там, где использование традиционных источников тока связано с определенными сложностями (энергопитание автономных метеостанций, сигнальных знаков в труднодоступных регионах планеты).[c.35]

    Как и все источники тока, работающие в электрических цепях, термоэлектрогенератор имеет два основных режима работы режим максимальной электрической мощности и режим максимального КПД. [c.35]

    Возможность применения термоэлектрогенераторов в нестационарном режиме обусловлена тем, что величина электродвижущей силы, возникающей в ветвях ТЭГ, не зависит от формы градиента температур в ветвях, важна разность температур. При этом температура холодного спая может быть близка (пространственно) к температуре горячего спая. Поэтому, если на горячий спай ТЭГ подать мощный кратковременный тепловой импульс, необходимая термоэлектродвижущая сила возникает почти мгновенно и поддерживается постоянной в течение промежутка реального времени (вплоть до не- [c.37]

    Сначала вспомним основные выражения для коэффициента полезного действия т термоэлектрогенератора (ТЭГ) и коэффициента преобразования термоэлектрического охладителя (ТЭО) [c. 59]

    МКС. Арсенид индия — один нз наиболее перспективных материалов для изготовления сверхвысокочастотных транзисторов, предназначенных для работы при низких температурах, а также один из лучших материалов для термоэлектрогенераторов и инфракрасных детекторов. [c.283]


    Для питания током станций катодной защиты могут быть использованы термогенераторы. Однако мощность освоенных промышлен-ностью термоэлектрогенераторов (типов ТГ-3, ТГК-9, ТГУ-1, ТГ-10, [c.183]

    ВНИИСТ разработал станцию с термоэлектрогенератором мощностью в 200 вт, которая проходит производственные испытания. [c.183]

    В соответствии с рассчитанными параметрами выбирают катодную станцию. Выбор типа катодной станции определяется, в первую очередь, наличием сетей электроснабжения вблизи трассы магистрального трубопровода. Если электролиния проходит параллельно трассе, то при выборе места установки катодной станции основное значение имеет длина защитной зоны. При отсутствии электросети применяются катодные станции с термоэлектрогенераторами или генераторами с приводом от двигателя внутреннего сгорания, работающим, например, на газе, отбираемом от магистрального трубопровода. Выбор того или иного устройства определяется техникоэкономическим расчетом. [c.245]

    В качестве источников постоянного тока нашли применение термоэлектрогенераторы. Мощность освоенных промышленностью термоэлектрогенераторов (типов ТГ-3, ТГК-9, ТГУ-1, ТГ-10, ТГ-16) незначительна (в пределах 3—16 вт), а коэффициент полезного действия очень низок (для ТГ-3 к.п.д. равен 0,6—0,75%). Разработаны и проходят испытание установки с термоэлектрогенератором мощностью 200 вт. [c.271]

    Учитывая специфику расплавов, можно полагать, что тройные соединения найдут эффективное применение в термоэлектрогенераторах, использующих в качестве источника тепла радиоактивный распад. Жидкие термоэлементы, в та- [c.319]

    Рассмотрим факторы, определяющие возможность и эффективность применения тройных тетраэдрических соединений в качестве материала для солнечных термоэлектрогенераторов.[c.320]

    Достигнутые к настоящему времени значении результирующего кид солнечных термоэлектрогенераторов близки к 1 (). Можно полагать, что ирименение жидких полупроводников позволит, учитывая низкую фононную теплопроводность, повысить кпд по крайней мере вдвое. Проведенные на расплавах тройных полупроводников измерения вязкости показывают, что теплопередача в жидких термоэлементах за счет конвективных потоков должна быть достаточно малой при предполагаемых рабочих температурах. [c.322]

    Несмотря на относительно малый кпд, не вызывает сомнений целесообразность и экономическая эффективность получения электроэнергии в соответствующих климатических условиях с помощью солнечных генераторов. Отсутствие движущихся частей (если не считать следящих солнечных электрогенераторов с острой фокусировкой), возможность полной автоматизации работы и дистанционного управления, высокая надежность и долговечность могут сделать солнечные термоэлектрогенераторы на легкоплавких тро » ных полупроводниках вполне конкурентноспособными, например, по отношению к небольшим бензиновым электрогенераторам [7].[c.322]

    Электрические двигатели — генераторы и одноякорные преобразователи — сложны в эксплуатации и имеют низкий к. п. д., поэтому они применяются лишь там, где есть электросети постоянного тока. Термоэлектрогенераторы и агрегаты с турбинками используются только как опытные УКЗ. Катодные станции с двигателями внутреннего сгорания из-за сложности эксплуатации и необходимости частого ремонта их применяются ограниченно. Более широко распространены ветроэлектростанции. Однако наи- [c.46]

    КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ТУРБИНКАМИ, ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРАМИ И ХИМИЧЕСКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ТОКА [c.73]

    За последние годы появилась возможность использовать полупроводники в термоэлектрогенераторах. При защите трубопроводов, транспортирующих топливо, применение катодных станций с термоэлектрогенераторами позволяет применять их в районах, где отсутствуют электросети и хорошие ветры. [c.74]

    О теллуридах ртути и кадмия говорилось в гл. XI, 6. Весьма интересным полупроводником является стибид цинка 2п5в. Он имеет дырочную проводимость и служит хорошим материалом для изготовления термоэлементов для термобатарей и термоэлектрогенераторов. Кроме ZhSb, известны и другие стибиды цинка, а также стибиды, арсениды и фосфиды цинка и кадмия, также являющиеся полупроводниковыми материалами. [c.365]

    Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение вследствие простоты монтажа и эксплуатации, высокой технологичности и невысокой стоимости. Обычно применяют сетевые источники питания, представляющие собой специальные выпрямители (катодные станции). В значительно меньших объемах применяют автономные катодные станции, содержащие источники постоянного тока термоэлектрогенераторы, турбоальтертаторы, фотоэлектрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания с электрическими генераторами. Катодная защита осуществляется установкой, включающей катодную станцию, дренажную линию, анодное заземление и контрольно-измерительные пункты (рис. 31). Отрицательная клемма катодной станции соединяется катодной дренажной линией с защищаемым сооружением. Место соединения дренажной линии с сооружением называется точкой дренажа. Положительная клемма катодной станции соединяется анодной дренажной линией с заземлением, называемым анодным. Ток, стекающий с анодного заземления в землю, вызывает растворение анодных заземлителей. Поэтому с целью обеспечения долговечности анодного заземления стараются использовать малорастворимые анодные материалы. [c.76]


    Энергетическим параметром, определяющим электрическую мощность, генерируемую термоэлектрогенератором, является величина а о (коэффициент мощности). В режиме максимальной У электрические сопротивления термоэлектрогенератора и нагрузки должны быть равными. В режиме т п1ах соотношение сопротивлений должно подчиняться уравнению [c.35]

    Примерно 100 лет эти открытия оставались вещью в себе , любопытными фактами, не более. И не будет преувеличением утверждать, что новая жизнь обоих этих эффектов началась после того, как Герой Социалистического Труда академик А. Ф. Иоффе с сотрудниками разработал теорию применения полупроводниковых материалов для изготовления термоэлементов. А вскоре эта теория воплотилась в реальные термоэлектрогенераторы и термо-злёктрохолодильники различного назначения. [c.64]

    В частности, термоэлектрогенераторы, в которых использованы теллуриды висмута, свинца и сурьмы, дают энергию искусственным спутникам Земли, навигационно-метеорологическим установкам, устройствам катодной защиты магист- ральных трубопроводов. [c.64]

    Все большее применение находят соединения В. в полупроводниковой технике (AgBiSg), в фотоэлементах (BiAg s). Увеличивается потребление В. в соединениях с селеном и теллуром для произ-ва охлаждающих устройств, термостатов и термоэлектрогенераторов. Эти соединения из-за благоприятного сочетания теплопроводности, электропроводности и термоэдс позволяют преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую (кпд прямого преобразования на основе теллуридаВ. достигает 10—11%). [c.189]

    В частности, термоэлектрогенераторы, в которых использованы теллуриды висмута, свинца и сурьмы, дают энергию искусственным спутникам Земли, навигационнометеорологическим установкам, устройствам катодной защиты магистральных трубопроводов. Те же материалы помогают поддержать нужную температуру во многих электронных и микроэлектронных устройствах. [c.19]

    Специфика физико-химических свойств исследованных тро1шых тетраэдрических соединений, относительная дешевизна и доступность компонентов большинства этих веществ по сравнению, в частности, с германием и особо чистым кремнием, слабая зависимость термоэлектрических иара.мет-ров соединений от некоторого отклонения их состава от стехиометрического дают основания сделать вывод о безусловной практической перспективиости этих веществ в качестве материала для солнечных термоэлектрогенераторов. [c.322]

    В зависимости от местных условий применяемые в катодных станциях источники постоянного тока можно разделить на две-основные группы. К первой группе относятся различные преобразующие устройства выпрямители, двигатель-генераторы и одпо-якорные преобразователи ко второй — генерирующие устройства ветроэлектростанции, электростанции с двигателями, работающими на топливе из трубопровода или на привозном топливе, термоэлектрогенераторы, агрегаты с турбинками и химические источники тока (последние не получили широкого распространения, так как их можно использовать только при пезначитель-ных токах в цепи УКЗ). [c.46]

    Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектрического эффекта. Сущность его заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных лгетал-лов между их свободными концами, имеющими более низкую температуру (чем место спая), возникает разность потенциалов или так называемая термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.). При замыкании свободных концов на какое-либо сопротивление в цепи возникает электрический ток. Таким образом, при термоэлектрических явлениях происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.[c.74]

    Более мощнылш термоэлектрогенераторами являются термогенераторы ТГК-9 и ТГУ-1, внешне совершенно не отличающиеся друг от друга. Различие состоит лишь в конструкции термоэлементов и технологии их изготовления. В ТГК-9 те же термоэлементы, что и в генераторе ТГК-3, но других размеров. В ТГУ-1 конструктивные особенности термоэлементов позволили получить более высокое значение к. п. д. [c.75]

    Отдаваемая мощность. термоэлектрогенератора ТГУ-1 14 вт, тогда как мощность, отдаваемая ТГК-9, всего 9,6 вт. В качестве источника тепла для обоих термоэлектрогенератороэ применен обычный керогаз. [c.75]


Автономный загородный дом. Солнечные батареи. Энергопечь (термоэлектрогенератор). Бесплатная энергия или электричество из дров!

 

Понятно, что автономности много не бывает, а вся трогательная забота чиновников направлена в оффшорные  зоны.

Изменить вектор в сторону себя, любимого – приятная задача и не столь сложная.

Первое что приходит на ум при фразе «автономный загородный дом» — электрогенератор.

На  период строительства, да, возможно, и то с оговорками.

Далее,  вас уже разоряет принцип, описанный в статье: «Сколько стоит генератор на самом деле».

Вторая мысль – солнечные батареи, но здесь пугает цена, удалённость от экватора и ещё что – то космическое и непонятное.

Тем не менее, цена солнечных батарей уже ниже электрогенератора, мощностью 1,5 – 2 кВт. Срок службы солнечных батарей и срок службы генератора несопоставимы, как в известном выражении.

Удалённость от экватора, другим словами инсоляция – не менее чем в Германии. Хотя за полярным кругом, зимой явный дефицит. Но и здесь есть решение – термоэлектрический генератор.

 

Бесплатная энергия или электричество из дров!

 

Термоэлектрогенератор — слово длинное и сложнее чем бублик, но зато вы не останетесь с дыркой от оного в полярную ночь.

Цена  термоэлектрического генератора несколько кусается, но учитывая многофункциональность и срок эксплуатации (не менее 10 лет) – того стоит. Вы получаете тепло, горячий ужин и электроэнергию. Три в одном!

По сути, это дровяная печь со встроенным термоэлектрическим модулем Пелетье.

Опыт применения термоэлектричества известен с партизанских отрядов. Более того, все прототипы современного теплоэлектрогенератора, если не попадали в заботливые руки коррозии и вандалов, работоспособны до сих пор, т.к. не подвержены износу.

Единственный недостаток энергопечи – при работе незначительный шум вентиляторов. Аналогичный системному блоку компьютера, т.к. используются именно компьютерные кулеры, охлаждающие внешние поверхности модуля.

Несомненные достоинства термоэлектрогенератора  — исключительно быстрый нагрев помещения, благодаря принудительной конвекции горячего воздуха. Соответственно, чем более тепла вы оставили в доме, тем меньше вылетело в трубу. Естественно тепловой КПД термоэлектрогенератора достаточно высок.

Между тем, как  у любой компактной отопительной системы, у энергопечи весьма низкий коэффициент теплоёмкости, относительно традиционной кирпичной печи.

Но и здесь есть выход. Горячий дым необходимо отвести в традиционный кирпичный щиток.

Наиболее высоким КПД, простотой изготовления и эксплуатации, является двухъярусный колпак. Более подробную информацию можно найти в интернете, но учитывая его засорённость дилетантами и скрытой коммерцией, рекомендуем «совковые» издания соответствующей литературы.

Если загородный дом уже имеет печное отопление, можно врезать в дымовой канал «самоварник», отверстие, используемое на Руси для выхода дымовой трубы самовара.  Чем ближе по ходу дыма к топке врезается дополнительный дымоотвод, тем больше тепла аккумулируется печью.

Опять-таки, если дачный дом не отапливается постоянно, вы приезжаете в выходные и праздники – это Ваш вариант.

Затопив обе печи, термоэлектрогенератор очень быстро прогревает помещение, а кирпичная печь долго прогревается, но хорошо держит тепло.

 

Продолжение..

 

Структура, используемая для производства термоэлектрогенератора, термоэлектрогенератор, содержащий такую структуру, и способ ее изготовления

Настоящее изобретение относится к структуре, используемой для производства термоэлектрогенератора; термоэлектрогенератору, содержащему такую структуру, и способу ее изготовления.

Уровень техники

Термоэлектрогенераторами (TEG) могут служить устройства, преобразующие тепло (разность температур) непосредственно в электрическую энергию, с помощью явления, именуемого «эффектом Зеебека» (или «термоэлектрическим эффектом»). В электрической цепи, состоящей из двух разнородных металлов (проводников) или полупроводников, возникает электродвижущая сила, если их контакты находятся при разных температурах (эффект Зеебека). И наоборот, вследствие эффекта Пельтье, протекание электрического тока вызывает появление разности температур в месте контакта двух проводников. Таким образом, термоэлектрическим элементом может служить охладитель, либо тепловой насос, переносящий тепло с помощью электрического тока. Типичный термоэлектрогенератор содержит два полупроводниковых термоэлемента p- и n-типа, соединенных между собой и образующих термопару. При этом термопары в электрическом отношении соединены между собой последовательно, а в термическом отношении соединены параллельно. Термоэлектрогенератор может содержать от одной до нескольких сотен термопар. Таким образом, термоэлектрогенераторы могут быть использованы не только в качестве альтернативного источника энергии для получения тепла, но и для целей охлаждения.

Например, термоэлектрогенераторы могут быть использованы в малогабаритных устройствах, где применение тепловых двигателей (в силу их громоздкости) невозможно. К другим сферам применения, которые на сегодняшний день вызывают интерес, может быть отнесена утилизация отработанного тепла (от любого имеющегося источника) для широкомасштабного производства электроэнергии, например, с целью увеличения эффективности использования электроэнергии существующих электростанций, где все еще вырабатывается большое количество неиспользуемого бросового тепла.

Однако с целью расширения применения теплоэлектрогенераторов для производства электроэнергии должны быть разработаны простые, надежные и высококачественные технологические операции, поскольку для реализации существующих технологий все еще необходимы достаточно сложные и дорогостоящие процессы, например, метод фотолитографии. Кроме того, теплоэлектрогенераторы должны быть максимально устойчивыми, должны работать в широком диапазоне температур и не допускать повреждения высокими температурами и/или большими колебаниями температур, например, «отработанного» тепла, используемого для производства электроэнергии.

Однако современные технологии все еще не позволяют найти приемлемых решений поставленных выше задач.

Изготовление термоэлектрогенераторов обычно состоит в вырезании вполне определенных объемных термоэлементов из слитка термоэлектрического материала и соединении их с электродами посредством пайки или аналогичными способами. Зачастую такая технология изготовления термоэлектрогенераторов требует больших затрат времени и является дорогостоящей, поскольку включает размещение сотен стержней (стоек) из материалов p- или n-типа в непосредственной близости друг от друга и последовательное их попарное соединение. Такой способ производства требует усовершенствования технологии изготовления термоэлементов. Проблема, с которой сталкиваются при традиционном производстве термоэлектрогенераторов, состоит в существенно малом количестве произведенных термоэлементов, если их толщина составляет менее 1,5 мм. Это связано с трудностью разрезания слитков термоэлектрических материалов. Миниатюризация термоэлементов весьма затруднительна. Вследствие этого, число термоэлектрических пар, сформированных в термоэлектрическом модуле, ограничено. Еще одна проблема, ограничивающая эффективное использование устройства, заключается в контактном сопротивлении между стержнями (стойками) и соединительными элементами. Таким образом, общий кпд термоэлектрогенераторов довольно низок. Подводя итог вышесказанному, производство компактных высокоэффективных термоэлектрогенераторов обычными способами весьма затруднительно. В патентах США 5,959,341; 6,025,554; 6,127,619; и 2009/0025772 А1 приведено описание термоэлектрических модулей и затруднительных процессов их изготовления, требующих, в частности, больших временных и финансовых затрат, и препятствующих увеличению масштаба производства.

В WO 2009/148309 приведено описание способа изготовления теплоэлектрогенераторов. Задача рассматриваемого способа состоит в преодолении недостатков, возникающих при использовании в прототипе методов фотолитографии.

Тем не менее, даже способ, предложенный в WO 2009/148309, является довольно сложным и многошаговым. Кроме того, для реализации способа, описание которого приведено в WO 2009/148309, необходимо использовать гибкие, как правило, полимерные, подложки, способствующие значительному уменьшению термостойкости.

В патенте WO 2009/045862 приведено описание другого способа изготовления теплоэлектрогенераторов. При реализации этого способа материал с электропроводностью p- или n-типа может быть осажден на гибкую подложку, а свернутые в цилиндры осажденные материалы n- и p-типа, соответственно, могут быть затем соединены, с возможностью образования теплоэлектрогенераторов. Описание аналогичных способов также приведено в патентах WO 2010/007110, US 2008/0156364 А и JP 9107129 А. Однако эти способы и изготовленные с их помощью теплоэлектрогенераторы все еще обладают различными недостатками, такими, например, как ограничение степени нагрева в процессе производства и в процессе эксплуатации, поскольку рассматриваемые гибкие полимерные подложки не обладают стойкостью к высоким температурам. Кроме того, трудно представить себе массовое производство на основе использования этих способов, в частности, вследствие значительной сложности и многошаговости процессов производства.

Работа авторов L.A. Salam и др. «Fabrication of iron disilicide thermoelectric generator by tape casting method», Materials and Design 20 (1999) 223-228 посвящена изготовлению термоэлектрогенератора, состоящего из множества слоев полупроводящих и изоляционных керамических материалов.

В патенте США 6,872,879 рассмотрен термоэлектрогенератор, состоящий из нескольких полупроводниковых элементов n- и p-типа, расположенных в чередующемся порядке, концы которых соединены с образованием нескольких термопар на двух противоположных поверхностях генератора.

В патенте ЕР-А-2128907 предложена подложка для гибкого термоэлектрического преобразовательного модуля, основным элементом которого служит керамический материал.

В патенте JP-A-09092891 раскрыт термоэлемент, которым может служить связанный многоуровневый термоэлектрод и в котором полупроводники p- и n-типа расположены друг над другом (уложены в стопу) и соединены с помощью изоляционных керамических слоев.

В US 2008/0289677 рассмотрен термоэлектрик, выполненный в виде стопы слоев, который далее может быть подвергнут обработке или видоизменен иным образом для создания более тонкой термоэлектрической структуры.

JP-A-04018772 относится к изготовлению быстрозакаленного тонколистового материала, используемого для термоэлемента с высоким показателем качества.

Задачи, на решение которых направлено изобретение:

Несмотря на улучшение перспектив данной технологии в течение последних 15 лет, обусловленное исследованиями термоэлектрических материалов, его коммерческой реализации все еще препятствует ряд проблем, и в том числе:

I. необходимость в лучших термоэлектрических материалах, сочетающих в себе оптимальные термические, электрические и механические свойства при высоких температурах горения;

II. электрический контакт этих материалов и их использование в реальных термоэлектрогенераторах, т.е. высокое контактное сопротивление;

III. необходимость применения недорогих, легко варьируемых и эффективных способов производства таких генераторов.

Таким образом, необходимо разработать способы получения теплоэлектрогенераторов, способные ликвидировать эти недостатки и решить по меньшей мере одну из рассмотренных выше задач. Кроме того, необходимы высоконадежные, простые и недорогие теплоэлектрогенераторы, обеспечивающие возможность использования такой энерговырабатывающей технологии во многих областях.

Общая задача настоящего изобретения состоит в создании высококачественного и недорогого термоэлектрогенератора с высокой плотностью энергии, содержащего широко распространенные материалы.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение, предмет которого описан в пунктах 1-15 формулы изобретения, позволяет решить указанные задачи.

Подробное описание сущности изобретения

В настоящем изобретении предложен способ изготовления структуры, используемой для производства термоэлектрогенераторов, описанный в п.1 формулы изобретения. В соответствующих подпунктах формулы и последующем описании рассмотрены предпочтительные примеры осуществления изобретения. Структура, созданная согласно способу по настоящему изобретению, содержит по меньшей мере одну полосу из материала n-типа и по меньшей мере одну полосу из материала p-типа, разделенные полосой из изоляционного материала или пространственно разделенные на изоляционном материале, а кроме того содержит полосы из проводящего материала, не имеющие электрического контакта друг с другом, каждая из которых соединяет одну полосу из материала n-типа с одной полосой из материала p-типа. Структура отличается тем, что она не содержит полимерных подложек. Способ включает выполнение следующих этапов:

совместное формирование по меньшей мере одной полосы из материала n-типа и по меньшей мере одной полосы из материала p-типа за одну технологическую операцию; и

формирование соединений с помощью полос из электропроводного материала по меньшей мере между одной полосой из материала n-типа и по меньшей мере одной полосой из материала p-типа.

В настоящем изобретении также предложена структура, используемая для создания электрогенератора, содержащая по меньшей мере одну полосу из материала n-типа и по меньшей мере одну полосу из материала p-типа, разделенные полосой из изоляционного материала, или пространственно разделенные на изоляционном материале, отличающаяся тем, что она не содержит полимерных подложек и производится указанным выше способом.

Отличительный признак, заключающийся в отсутствии в структуре полимерных подложек, подразумевает, что подложка (на которой расположены материалы n- и p-типа, как определено в настоящем описании), используемая согласно настоящему изобретению, не выполнена из полимерного материала, либо не содержит полимерный материал. Упомянутым полимерным материалом в данном контексте может служить органический полимерный материал любого типа, в т.ч. кремнийорганические материалы и типичные, обычно используемые полимеры, например, полиолефины, полиамиды, полиимиды и т.д.

Согласно указанному выше, первым объектом изобретения является структура, в которой полосы из материала n-типа (n), материала p-типа (p) и изоляционного материала (i) расположены в ряд. Такая структура может быть изготовлена известными способами, например методом пленочного литья или ему подобным. Большое количество полос такого типа может быть расположено в ряд для получения многополосковой структуры. Такая структура может быть получена пленочным литьем компаундов n- и p- типа, разделенных изоляционным материалом (параллельно направлению течения пленки). Полученная таким образом структура может быть описана как [(n) (i) (р) (i)] х («повторяющиеся звенья» включающие полосу из материала n-типа, полосу из изоляционного материала, полосу из материала p-типа, полосу из изоляционного материала, при х, равном числу повторяющихся звеньев, расположенных в ряд). Предпочтительно иметь одну дополнительную полосу из изоляционного материала, расположенную таким образом, что двумя внешними полосами служат полосы из изоляционного материала. За счет этого могут быть обеспечены электрическая изоляция, стойкость и защита полос из материалов n- и p-типа.

В структуре согласно настоящему изобретению по меньшей мере одна полоса из материала n-типа и по меньшей мере одна полоса из материала p-типа не имеют непосредственного контакта между собой. Наоборот, в одном примере осуществления изобретения по меньшей мере одна полоса из материала n-типа и по меньшей мере одна полоса из материала p-типа разделены полосой изоляционного материала. В другом примере осуществления изобретения, указанные полосы пространственно разделены на изоляционном материале. В любом случае по меньшей мере одна полоса из материала n-типа и по меньшей мере одна полоса из материала p-типа сформированы таким образом, что они не имеют непосредственного контакта между собой.

В предпочтительном примере осуществления изобретения, полоса из изоляционного материала содержит керамический материал. Кроме того, структура по настоящему изобретению предпочтительно состоит из указанных выше полос, т.е. никакие новые полосы не предусмотрены. Однако очевидно, что структура по настоящему изобретению может включать несколько полос, выполненных из материала n-типа и материала p-типа, между которыми расположено требуемое число полос из изоляционного материала. Число этих полос может быть выбрано любым, например, равным двум (т.е. одна полоса из материала n-типа и одна полоса из материала p-типа) или нескольким сотням, например, от 2 до 1000, а в примерах осуществления изобретения от 10 до 500, от 50 до 300, от 75 до 200, от 80 до 150, или от 80 до 120, например, приблизительно 100 полос и т.д. Далее, структуры с таким количеством полос могут дополнительно содержать требуемое количество полос из изоляционного материала, чтобы смежные полосы из материалов n-типа и p-типа были разделены должным образом.

Согласно настоящему изобретению, предложен способ эффективного производства термоэлектрогенераторов. В настоящем изобретении взамен использования объемных термоэлементов, полученных из слитка термоэлектрических материалов, использована преимущественно группа термоэлектрических пар (n и p-типа), изготовленных за одну технологическую операцию. Термоэлементы могут быть получены, например, методом пленочного литья путем избирательной заливки «в ряд» термоэлектрических пар в периодическую структуру из материалов n- и p-типа, разделенных изоляционными материалами. Таким образом, расположение, форма и размер отдельных термоэлементов определены технологическим режимом пленочного литья. Благодаря формированию термоэлектрических пар за одну технологическую операцию, способ является более экономически эффективным по сравнению с обычными способами получения термоэлектрогенераторов, согласно которым каждая термоэлектрическая пара может быть изготовлена отдельно, например путем вырезания объемных термоэлектрических элементов из слитков с последующим соединением их с электродами посредством пайки, или аналогичными способами. Это позволяет получить недорогие, легко варьируемые и эффективные способы производства структур для изготовления термоэлектрических генераторов.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения (как будет показано ниже) может служить использование для полос керамических материалов, при этом структура первоначально может быть сформирована из суспензии керамического материала или керамической массы (например, керамического порошка, смешанного со связующим, или, в некоторых случаях, с растворителем) таким образом, что после, например, пленочного литья и сушки (при низких температурах, например 100°C, что известно любому специалисту в данной области) может быть получен сырец, пригодный для дальнейшей обработки, в том числе для разрезания и формирования (например, придания спиралевидной формы) с последующим спеканием. Таким образом, форма структуры может быть изменена после литья, проводимого на начальном этапе.

Термоэлектрогенераторы могут быть изготовлены, например, путем вырезания прямоугольных полос из упомянутой выше структуры (в сыром состоянии), причем эти полосы выполнены гибкими, а их основным элементом служит, например, керамический материал. Далее, перед выполнением операции спекания керамического порошка при заданной температуре, эти полосы могут быть прокатаны до заданной формы. В результате может быть получен многоступенчатый термоэлектрический модуль.

Такой прокатный цилиндрический термоэлектрический модуль согласно настоящему изобретению гораздо более удобен для сборки, может быть запущен в массовое производство и, в зависимости от практического применения, может быть увеличен в размерах с возможностью получения разных выходных мощностей при использовании меньшего количества материалов по сравнению с традиционными технологиями.

Вышеуказанные полосы предпочтительно изготовлены из материалов, позволяющих упростить и перевести на промышленную основу процесс их производства, например, методом пленочного литья, напыления покрытия, соэкструзии и т.д., причем метод пленочного литья наиболее предпочтителен. Приемлемыми материалами могут служить, в частности, керамические материалы, позволяющие использовать суспензию в качестве исходного материала, таким образом, что одновременно может быть выполнено пленочное литье для любого заданного количества полос. Далее полученный сырец (тонколистовой материал), в некоторых случаях, может быть подвергнут первой операции просушивания и в любом случае разрезан на соответствующие части, которые затем могут быть собраны в стопу и свернуты в цилиндр, прежде чем подвергнуться последующему просушиванию для получения конечной отвержденной структуры.

Характерные размеры полос в структуре могут быть выбраны следующим образом (применительно к структуре, полученной методом пленочного литья):

Ширина (w): от 1 до 100 мм, например, от 5 до 50 мм

Толщина (t): от 0,05 до 5 мм, например, от 0,1 до 2 мм, предпочтительно от 0,5 до 1 мм

Длина (I) (в направлении движения пленки*): от 2 до 1000 мм, например, от 5 до 200 мм, предпочтительно от 20 до 100 мм.

*Направление движения пленки показано на чертежах и характеризуется осью, вдоль которой пленка может перемещаться относительно литьевого аппарата в процессе производства.

Кроме методов пленочного литья для изготовления многоуровневой (слоистой) структуры могут быть использованы также и другие методы, в частности методы соэкструзии и т.п.

Вследствие предпочтительного использования керамических материалов необходимо выполнение процессов сушки и спекания (как правило, при температурах выше 800°C), так, что полученные в результате слои предпочтительно должны быть изготовлены из материалов с одинаковыми коэффициентами теплового расширения, предпочтительно в пределах приблизительно 10%, более предпочтительно в пределах 5% или менее. Преимущество конечного продукта состоит в получении высокоустойчивых слоев, имеющих высокую термостойкость и химическую стойкость в агрессивных средах, поскольку керамические материалы химически устойчивы. Поскольку пленочное литье керамических материалов представляет собой широко известный технологический процесс, то оно обеспечивает возможность недорогого серийного производства.

Материалами, приемлемыми для использования в качестве соответствующих слоев структуры, по настоящему изобретению могут служить:

материалы n-типа: легированные ZnAlO, LaNiO3, CaMnO3, легированный кобальтом beta-FeSi2,

материалы p-типа: легированный литием NiO, легированный хромом beta-FeSi2 легированный Ca3Co4O9.

изоляционный материал: K2O-BaO-SiO2, BaO-Al2O3-SiO2.

Однако следует понимать, что эти материалы приведены исключительно в качестве иллюстративных примеров. Эти материалы обеспечивают эффективное и надежное производство необходимых структур методом пленочного литья.

Как было сказано выше, структуры, в частности, могут быть использованы для изготовления теплоэлектрогенераторов. Полосы из полученных спеканием/обожженных тонколистовых материалов n- и p-типа, уже имеющие требуемую форму (путем вальцевания или укладки в стопу в соответствии с указанным выше), могут быть затем с помощью общепринятых и хорошо известных методов нанесены на контактные полосы (проводники), например изготовленные из серебряной пасты или порошка, с возможностью образования заданных соединений между полосами из материалов n- и p-типа и получения блока. Эти полосы из электропроводного материала соединяют одну полосу из материала n-типа с одной полосой из материала p-типа, причем каждая полоса не имеет электрического контакта друг с другом. Таким образом, после выполнения соответствующих технологических операций, например вырезания (см. чертежи), структура может быть использована для производства теплоэлектрогенераторов. Некоторые из этих блоков могут быть в установленном порядке соединены проводами с возможностью получения центрального блока термоэлектрогенератора. Теплоэлектрогенератор может быть получен путем надлежащего размещения соединенных блоков в соответствующих корпусах и т.д. Эти технологические операции могут быть выполнены в указанном выше порядке, кроме того, как видно из чертежей, может быть использована и другая последовательность операций.

В одном конкретном примере осуществления настоящего изобретения контактные полосы могут быть сформированы уже в ходе выполнения технологических операций получения полос из материала n-типа и материала p-типа, например, в процессе пленочного литья. В этом примере контактные полосы могут быть получены в процессе пленочного литья, путем нанесения соответствующего проводящего материала, например, серебряной пасты (см. Фиг.1), методом пленочного литья, трафаретной печати или другими подходящими способами таким образом, что до выполнения каких-либо других следующих технологических операций структура уже содержит все требуемые функциональные элементы (материалы n- и p-типа, изоляционный материал, соединительный элемент). Каждая полоса из проводящего материала соединяет одну полосу из материала p-типа исключительно с одной полосой из материала n-типа и не имеет электрического соединения с какими-либо другими полосами из проводящего материала.

Поскольку основные элементы, т.е. слой материала n-типа, слой материала p-типа и слой изоляционного материала, могут быть получены простыми и широко известными методами, настоящее изобретение обеспечивает серийное производство теплоэлектрогенераторов простыми способами.

Теплоэлектрогенераторы по настоящему изобретению являются устойчивыми в процессе эксплуатации, могут работать в широком диапазоне температур и таким образом могут быть использованы в различных областях.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует один способ получения теплоэлектрогенераторов согласно настоящему изобретению. На Фиг.1а схематично показан метод пленочного литья для структуры, содержащей 4 полосы (слои материалов n-типа и p-типа) в дополнение к 3 полосам изоляционного материала. Фиг.1b иллюстрирует процесс нанесения контактных слоев с последующим вырезанием (Фиг.1с). Фиг.1d иллюстрирует процесс монтажа электрических проводов с последующим сворачиванием керамического материала-сырца в рулон и спеканием. На Фиг.1е показан готовый теплоэлектрогенератор.

Фиг.2 иллюстрирует другой способ получения структуры и теплоэлектрогенератора по настоящему изобретению. Фиг.2а аналогична Фиг.1а. Фиг.2b иллюстрирует процесс разрезания керамического материала-сырца и складывание в блоки, которые затем будут использованы вместе со слоями проводящего материала (Фиг.2с). На Фиг.2d показан процесс сборки блоков и подключения проводов, а на Фиг.2е показан готовый теплоэлектрогенератор.

Второй вариант изготовления структуры по настоящему изобретению включает размещение полос материала n-типа и материала p-типа на изоляционном материале, например в виде тонколистового материала, например подложки. Между каждой полосой из материала n-типа и материала p-типа предусмотрен свободный участок (пространственное разделение), обеспечивающий необходимую изоляцию. Преимущество такой структуры состоит в более высокой механической стабильности (обусловленной наличием изолирующей подложки) при сохранении указанных выше преимуществ (технологичность и т.д.). Все предпочтительные примеры осуществления изобретения, рассмотренные выше применительно к первому варианту, также действительны и для второго варианта, например это касается выбора материалов, размеров полос, технологических операций и т.д. Этот конкретный пример осуществления изобретения также может быть получен методами пленочного литья, согласно которым на изолирующей подложке могут быть расположены полосы из материала n- и p-типа. Размеры свободных участков между полосами из материалов n- и p-типа как правило аналогичны указанным выше для первого варианта.

Изобретение может быть проиллюстрировано приведенными ниже примерами. Примеры

Структура (l:w:t: 100 мм 5 мм 1 мм) представляет собой структуру, полученную методом пленочного литья, содержащую 21 полосу ([(n) (i) (р) (i)] х при х=5, плюс одна полоса изоляционного материала, охватывающая обе стороны структуры с полосами из изоляционного материала), причем материал n-типа, изоляционный материал и материал p-типа были выбраны следующим образом:

Пример 1. LaNiO3/K2O-ВаО-SiO2/легированный Ca3Co4O9.

Пример 2. CaMnO3/K2O-ВаО-SiO2/легированный литием NiO

Пример 3. Легированный кобальтом beta-FeSi2/K2O-BaO-SiO2/легированный хромом beta-FeSi2

Тонколистовые материалы были получены спеканием при температурах: 900°C (Пример 1), 1250°C (Пример 2) и 1200°C (Пример 3). Поскольку выбор материалов был выполнен таким образом, что коэффициенты теплового расширения использованных материалов, в частности материалов n- и p-типа практически одинаковы, то полученные керамические структуры не имеют никаких повреждений или деформаций, и следовательно для использования в процессе производства теплоэлектрогенераторов могут быть получены подходящие изделия.







Разработан гибкий термоэлектрогенератор для носимых устройств | Новости

Обеспечение стабильного и надежного питания остается одним из важных условий коммерческого внедрения носимых компьютерных устройств — от интеллектуальных очков и часов, до кардиостимуляторов.

Возможным решением может стать разработанный коллективом корейского института KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) чрезвычайно легкий термоэлектрический (ТЭ) генератор на основе стеклоткани.

Он преобразует в электроэнергию тепло человеческого организма, устойчив к изгибу с минимальным радиусом 20 мм и сохраняет неизменный уровень эффективности даже после 120 циклов изгибания в обе стороны.

Термоэлектрогенераторы бывают двух типов: на основе органических и неорганических материалов. Первые используют полимеры, по гибкости, малой массе и совместимости с человеческой кожей идеально подходящие для носимых приложений. К сожалению, такие генераторы имеют низкую выходную мощность. В этом отношении их превосходят неорганические устройства, которые имеют собственные недостатки — жесткую конструкцию, большие объем и массу.

Новая концепция и методика изготовления гибкого неорганического термоэлектрогенератора позволяет минимизировать потери тепловой энергии при максимальном увеличении полезного выхода. Синтезированные в KAIST термоэлектрические материалы n-типа теллурид висмута и p-типа теллурид сурьмы имеют вид вязкой пасты.

Из них на стеклоткани методом шелкографической печати формируют слои толщиной в несколько сот микрон, образованные множеством мельчайших точек, состоящих из смеси ТЭ-материалов обоих типов (p и n).

Такая конструкция позволяет исключить использование толстых подложек из керамики или алюминия, в которых обычно теряется значительная часть тепловой энергии. Массу генератора удалось снизить приблизительно до 0,13 г на квадратный сантиметр.

Как утверждается в статье, опубликованной в онлайновом издании Energy & Environmental Science, устройство KAIST габаритами 10×10 см, выполненное в виде браслета, способно выдавать около 40 мВт электроэнергии при разнице температур между кожей и окружающим воздухом 31ºF.

Авторы указывают, что их технология может применяться не только для питания носимой электроники, но и вообще везде, где происходит утечка тепловой энергии: в автомобилях, на промышленных предприятиях, в самолетах, судах и пр.

Вы можете подписаться на нашу страницу в LinkedIn!

Товарный словарь | Г | Генератор термоэлектрический

     Генератор термоэлектрический — агрегат, преобразующий тепловую энергию в электрическую.

 

      В теплоэлектрическом генераторе используется термоэлектродвижущая сила, образующаяся при нагревании спая двух различных металлов, например: меди с константаном, железа с контантаном, платины с иридием и др. Такие спаи называются термопарами, а их наборы — термобатареями. Образующаяся в термопаре электродвижущая сила пропорциональна разности температур между нагреваемым спаем и «холодными» концами термопары и выражается в милливольтах на градус.

 

 

 

 

Использование термоэлектрогенератора ТЭГК-2-2 для питания батарейного радиоприемника «Родина»

 

 

 

 

 

     Промышленностью выпускались термоэлектрические генераторы типа ТГК-3 и ТЭГК-2-2, относящиеся к группе радиаторов и предназначенные для питания накальных, сеточных и анодных цепей батарейных радиовещательных приёмников «Родина-47», «Родина-52», «Искра», «Таллин Б-2» и т. п.

 

     В качестве источника тепла в термоэлектрических генераторах использовалась обыкновенная 20-линейная керосиновая лампа со специальным укороченным стеклом, к которому крепилась термоголовка, состоящая из алюминиевого литого теплоприёмника, термобатареи и воздушного радиатора. Отходящие от пламени ламповой горелки горячие газы, омывая перегородки алюминиевого теплоприёмника, отдают ему свое тепло, передаваемое последним термобатарее, состоящей из радиально расположенных ячеек — термопар. Для получения необходимой разности температур между горячими и холодными концами термопар термоголовка снабжена рёбрами охлаждения.

 

     ТГК-3 — низковольтный 3-ваттный термоэлектрогенератор, снабжённый двумя термобатареями: накальной, дающей напряжение в 1,2—2,0 в, и анодной — с напряжением в 2,5 в. Накальная цепь радиоприёмника питается непосредственно от термобатареи, анодная и сеточная — через специальное устройство — вибропреобразователь, повышающий низкое напряжение анодной секции термобатареи до необходимого предела. В вибропреобразователе последовательно осуществляется превращение постоянного тока низкого напряжения в переменный, его трансформация с последующим выпрямлением. Основная деталь вибропреобразователя — синхронный вибратор типа ВС-2,4. Радиопомехи, создаваемые вибратором при работе, подавляются блокировкой нз конденсаторов и дросселей, смонтированных в вибропреобразователе.

 

     ТЭГК-2-2 — высоковольтный 2-ваттный термоэлектрогенератор с термобатареями, обеспечивающими непосредственное питание всех цепей радиоприёмника. ратора [НОГО Электрические характеристики Г. т. типа ТГК-3 и ТЭГК-2-2 (измеряются под нагрузкой на клеммах генератора) приведены в таблице Замер напряжений производится вольтметрами с внутренним сопротивлением не менее 500 ом для накальных и 5000 ом для анодных и сеточных цепей на 1 в измеряемого предела.

 

 

     Качество термоэлектрического генератора проверялось внешним осмотром, при котором устанавливалось отсутствие вмятин, царапин, погнутостей и коррозийных повреждений на металлических деталях, и опробованием в работе с одним нз указанных типов радиоприёмников. При проверке генератора в работе с радиоприёмником не должно было наблюдаться тресков и шумов при закороченных клеммах «антенна» и «земля» радиоприемника. При опробовании генератора ТГК-3 в работе допускалось лёгкое прослушивание фона переменного тока.

     Термоэлектрические генераторы упаковывались в деревянные ящики. В комплект генератора входили: термоголовка, вибропреобразователь (для ТГК-3), два ламповых стекла и инструкция с паспортом. Маркировка наносилась на одно из крыльев термоголовки и включала наименование или товарный знак завода-изготовителя, тип генератора, год выпуска и заводской номер прибора.

     Генераторы выпускались по ВТУ заводом «Металлоламп» Министерства местной промышленности РСФСР.

      Хранить их рекомендовалось в закрытых складских помещениях при температуре не ниже 5° и влажности воздуха 75-80%.

Научное руководство по пониманию и использованию TEG Power!

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

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

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

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

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

Теперь о науке.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как работают термоэлектрические генераторы — Applied Thermoelectric Solutions LLC

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 центре внимания остальных постов — термоэлектрические генераторы.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

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

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 помещаются 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 при нагревании одного из стыков двух соединенных разнородных металлов 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.

Термоэлектрический генератор энергии | Британника

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

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

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

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

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

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

Основные типы термоэлектрических генераторов

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

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

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

Генераторы на атомном топливе

Продукты распада радиоактивных изотопов могут быть использованы в качестве источника высокотемпературного тепла для термоэлектрических генераторов. Поскольку материалы термоэлектрических устройств относительно невосприимчивы к ядерному излучению и поскольку источник может работать в течение длительного периода времени, такие генераторы представляют собой полезный источник энергии для многих необслуживаемых и удаленных приложений. Например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы обеспечивают электроэнергией изолированные станции мониторинга погоды, для сбора глубоководных данных в океане, для различных систем предупреждения и связи, а также для космических аппаратов.Кроме того, еще в 1970 году был разработан маломощный радиоизотопный термоэлектрический генератор, который использовался для питания кардиостимуляторов. Диапазон мощности радиоизотопных термоэлектрических генераторов обычно составляет от 10 -6 до 100 Вт.

Высокопроизводительный переносной термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, рециркуляции и Lego-подобной реконфигурации

Солнечное излучение, окружающее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на характеристики переносного 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 обмен теплового излучения на единицу площади. единица площади между поверхностью холодной стороны и окружающей средой, соответственно, P abs — поглощенная мощность солнечного излучения на единицу площади, P solar — мощность солнечного излучения на единицу площади, а ε¯emit и ε¯abs — соответственно эффективная излучательная способность и эффективная поглощающая способность поверхности.Излучательная способность и поглощательная способность могут использоваться для оценки теплового излучения поверхности с холодной стороны и поглощения ею солнечного излучения, как показано в формуле. 1. На рис. 5В показаны измеренные зависящие от длины волны коэффициенты излучения / поглощения поверхности ТЭГ (голая поверхность). Поверхность ТЭГ без покрытия имеет сильное поглощение (> 0,87) в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм), что указывает на то, что поверхность может нагреваться солнечным излучением, что значительно ограничивает ее тепловыделение. Чтобы улучшить характеристики ТЭГ на открытом воздухе, необходимо изменить поверхность с холодной стороны так, чтобы она была 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 излучать 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 ). 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 холодная сторона в солнечный день с использованием лабораторной установки (рис.S15). Измеренные солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра с 13:00 до 18:00 представлены на рис. 5C. Внезапное падение измеренной солнечной радиации в 15:18 произошло из-за того, 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 энергии составляет всего 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 ТЭГ с открытой поверхностью на холодной стороне. После того, как ТЭГ-устройства были затенены зданием в 15:45, два ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне имеют одинаковые общие теплообменные и термоэлектрические характеристики из-за их одинакового высокого коэффициента излучения в окне пропускания атмосферы и отсутствие солнечного излучения.

Термоэлектрический генератор на ткани превращает тепло в энергию

Термоэлектрические (ТЭ) материалы преобразуют тепло в электричество и наоборот.Эти материалы обладают большим потенциалом для рекуперации отработанного тепла и твердотельного охлаждения.

В последние годы низкоразмерные материалы в последнее время вызывают большой интерес как термоэлектрические материалы. Такие материалы имеют ограничение носителей заряда, что улучшает термоэлектрические характеристики. Одним из таких материалов является углеродная нанотрубка. Поскольку углеродные нанотрубки одномерные, гибкие и легкие, они являются многообещающими кандидатами.

Однако сохранение значительного коэффициента мощности индивидуальных углеродных нанотрубок в макроскопических сборках было сложной задачей.Ученые из Университета Райса использовали крошечные углеродные нанотрубки, выровняли их как волокна и вшили в ткани. Их установка создает гибкие термоэлектрические генераторы, которые могут преобразовывать тепло или другие источники в энергию.

Впервые макроскопические сборки из наноматериалов продемонстрировали необходимый «гигантский коэффициент мощности», составляющий около 14 милливатт на метр в градусах Кельвина в квадрате.

Углеродные нанотрубки, которые использовали ученые, также можно использовать в качестве радиаторов для охлаждения чувствительной электроники с высокой эффективностью.

Аспирант

Райс Нацуми Комацу, ведущий автор статьи, сказала: «Коэффициент мощности показывает, какую удельную мощность можно получить из материала при определенной разнице температур и температурном градиенте».

«Сверхвысокая электропроводность этого волокна была одним из ключевых атрибутов».

Эффект кажется простым: если одна сторона термоэлектрического материала горячее, чем другая, он производит энергию. Тепло может исходить от солнца или других устройств, таких как конфорки, использованные в эксперименте с тканью.И наоборот, добавление энергии может побудить материал охладить более горячую сторону.

Источник этой сверхмощи также связан с настройкой внутренней энергии Ферми нанотрубок, свойства, которое определяет электрохимический потенциал. Ученые контролировали энергию Ферми путем химического легирования нанотрубок, превращенных в волокна. Это позволило им настроить электронные свойства волокон.

Аспирантка Райс Нацуми Комацу, ведущий автор статьи, сказала: «Хотя тестируемые волокна были разрезаны на сантиметровые отрезки, нет никаких причин, по которым устройства не могут использовать превосходные волокна нанотрубок из лаборатории Паскуали, которые намотаны на катушку. непрерывные длины.”

«Независимо от того, где вы их измеряете, они обладают такой же очень высокой электропроводностью. Кусок, который я измерил, был маленьким только потому, что моя установка не способна измерять 50 метров волокна ».

Рисовая лаборатория соавтора и инженера-химика и биомолекулярника Маттео Паскуали сказал: «Волокна из углеродных нанотрубок находятся на устойчивом пути роста и доказывают свои преимущества во все большем количестве приложений. Вместо того, чтобы тратить углерод впустую, сжигая его в двуокись углерода, мы можем исправить его как полезные материалы, которые принесут дополнительные экологические выгоды при производстве и транспортировке электроэнергии.”

«Нанотрубки существуют уже 30 лет, и с научной точки зрения известно многое. Но для создания реальных устройств нам нужны макроскопически упорядоченные или кристаллические сборки. Это те типы образцов нанотрубок, которые могут сделать группа Маттео и моя группа, и есть много-много возможностей для применения ».

Ссылка на журнал:
  1. Komatsu, N., Ichinose, Y., Dewey, O.S. и другие. Макроскопические носимые волокна из углеродных нанотрубок с гигантским термоэлектрическим коэффициентом мощности.Нац Коммуна 12, 4931 (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-25208-z

Энергетические системы | Энергетические и тепловые системы — НАСА RPS: Radioisotope Power Systems

Марсоход Curiosity сделал этот автопортрет, на котором в центре изображен его радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG).

Наследие разведки

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГи обеспечивают электроэнергией космические корабли путем преобразования тепла, выделяемого при распаде топлива плутония-238 (Pu-238), в электричество с помощью устройств, называемых термопарами.Поскольку в них нет движущихся частей, которые могут выйти из строя или изнашиваться, ритэги исторически считались высоконадежным источником питания. Термопары использовались в РИТЭГах в общей сложности более 300 лет, и ни одна термопара никогда не прекращала выработку энергии.

Термопары часто используются в предметах повседневного обихода, которые должны контролировать или регулировать их температуру, например, в кондиционерах, холодильниках и медицинских термометрах. Принцип термопары состоит из двух пластин, каждая из которых изготовлена ​​из разного металла, проводящего электричество.Соединение этих двух пластин с образованием замкнутой электрической цепи при поддержании двух переходов при разных температурах дает электрический ток. Каждая из этих пар спаев образует индивидуальную термопару. В РИТЭГе радиоизотопное топливо нагревает один из этих переходов, в то время как другой переход остается ненагретым и охлаждается космической средой или планетарной атмосферой.

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор Помеченный раздельный вид, показывающий основные компоненты MMRTG или многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора.Изображение предоставлено НАСА.

Текущая модель РИТЭГа — многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор или MMRTG . Он основан на типе РИТЭГов, которые ранее использовались на двух спускаемых аппаратах «Викинг» и космических кораблях «Пионер 10» и «Пионер-11» (РИТЭГ SNAP-19). Он предназначен для использования в вакууме космоса или в атмосфере планеты. Избыточная тепловая энергия от MMRTG может использоваться в качестве удобного и постоянного источника тепла для поддержания надлежащих рабочих температур космического корабля и его инструментов в холодных условиях.

Носимый термоэлектрический генератор с двойной цепью с несколькими датчиками

Сбор тепловой энергии

Измерение производительности

Как показано на рис. 2а, предлагаемый DC-ThEG состоял из трех основных компонентов. Сначала в качестве подложки была приготовлена ​​пленка PI, которая позволяет устройству обладать хорошей гибкостью. Во-вторых, двухцепные термопары из Bi 2 Te 2,7 Se 0,3 (n-тип) и Sb 2 Te 3 (p-тип) были напечатаны поверх пленки PI с использованием трафаретной печати. процесс печати, которые служат термоэлектрическими ножками для генерации термоэлектричества и электродами для многофункционального зондирования.Наконец, слой фиброина шелка был использован для закрытия промежутка между двумя отдельными термоэлектрическими ветвями, работая как функциональный материал для определения наличия воды в жидком состоянии в воздухе и температуры. По сравнению с одноцепочечными термоэлектрическими ветвями, структура двухцепочечных термоэлектрических ветвей позволяет реализовать более функциональное зондирование на основе емкостного эффекта (то есть обнаружение наличия воды в жидком состоянии в воздухе и температуре), обеспечивая при этом мощность плотность термоэлектрической генерации за счет неизменного количества термоэлектрических ветвей.На рисунке 2b показана фотография изготовленного DC-ThEG с размерами 60 мм × 35 мм × 0,2 мм в изогнутом состоянии, а продемонстрированная гибкость показывает возможность использования DC-ThEG в качестве носимого устройства. Частично увеличенное изображение устройства, показанного на рис. 2c, показывает, что термопары хорошо напечатаны на подложке из PI. Кроме того, в этой работе зазор между любыми двумя соседними термоэлектрическими ветвями, ширина всех термоэлектрических ветвей и длина всех термоэлектрических ветвей изготовленного устройства равнялись 0.8 мм, 1,5 мм и 22 мм соответственно. Сопротивление двух последовательно соединенных цепей термоэлектрических ветвей (10 пар термопар на все устройство) составляло 1,75 кОм. Морфология поверхности двух термоэлектрических материалов изготовленного устройства была исследована с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), как показано на рис. 2d, e. Компактность и хорошее распределение поверхностей показывают, что термоэлектрические ветви были хорошо отпечатаны трафаретной печатью на подложке из ПИ. Кроме того, соответствующие средние толщины трафаретной печати n-типа (Bi 2 Te 2.7 Se 0,3 ) и p-типа (Sb 2 Te 3 ) термоэлектрические ветви были приблизительно 105 мкм и 83 мкм соответственно, как показано на рис. S2 в файле вспомогательной информации.

Рис. 2: Изготовленные двухцепочечные термоэлектрические генераторы (DC-ThEG) показали замечательную гибкость и однородность в соответствии с характеристиками наблюдений, основанными на фотографиях, изображениях с оптического микроскопа и сканирующей электронной микроскопии (SEM).

a Принципиальная схема DC-ThEG, который состоит из гибкой подложки PI, двух цепей термопар из Bi 2 Te 2.7 Se 0,3 (n-тип) и Sb 2 Te 3 (p-тип), а также функциональная мембрана из фиброина шелка, закрывающая разрыв цепи. b Фотография изогнутого DC-ThEG размером 60 мм × 35 мм × 0,2 мм, демонстрирующего хорошую гибкость. Каждая отдельная термоэлектрическая цепь содержит 5 пар термопар p-типа / n-типа. c Изображение с большим увеличением, показывающее стыки печатных термопар p-типа / n-типа. d , e СЭМ изображения напечатанных термоэлектрических материалов n-типа и p-типа.По сравнению с традиционными одноцепочечными термоэлектрическими генераторами (ТЭГ) эта новая двухцепочечная конфигурация наделяет ТЭГ уникальной функцией одновременного сбора тепловой энергии и реализации нескольких функций измерения за счет использования этих двух цепей в качестве электродов с помощью функционального материала, покрывающего разрыв между ними

Чтобы проверить возможность использования предложенного DC-ThEG в качестве носимого источника питания для сбора тепловой энергии, комплексные выходные характеристики изготовленного устройства систематически исследовались с помощью серии испытаний и измерений.Рисунок 3a иллюстрирует схематическую диаграмму рабочего механизма, основанного на эффекте Зеебека предлагаемого DC-ThEG для сбора тепловой энергии. Когда на устройство подается ΔT , носители заряда (т.е. электроны в термоэлектрическом материале n-типа Bi 2 Te 2,7 Se 0,3 и дырки в термоэлектрическом материале p-типа Sb 2 Te 3 ) диффундируют с горячей стороны на холодную, в результате чего в цепи генерируется потенциал, который можно измерить цифровым мультиметром.Кроме того, переключатель K 1 использовался для чередования рабочих состояний устройства (т.е. сбора тепловой энергии и многофункционального измерения), а переключатель K 2 использовался для чередования состояния тестирования измерительной платформы (т. е. состояние разомкнутой цепи и состояние подключения нагрузки).

Рис. 3: Рабочий механизм термоэлектрической генерации, измерительная платформа и выходные термоэлектрические характеристики изготовленного DC-ThEG.

a На основе эффекта Зеебека, когда источник тепла применяется к одной стороне изготовленного DC-ThEG, носители заряда (т.е. электроны в термоэлектрическом материале n-типа, Bi 2 Te 2.7 Se 0,3 , и отверстия в термоэлектрическом материале p-типа, Sb 2 Te 3 ) диффундируют с горячей стороны на холодную, в результате чего возникает ток, который можно измерить цифровым мультиметром, подключенным к двум термоэлектрическим ножкам. цепи. Два переключателя K 1 и K 2 использовались для чередования рабочих состояний устройства и состояний тестирования измерительной платформы. b Практические изменения температуры горячей стороны ( T 1 , красный) и холодной стороны ( T 2 , черный) DC-ThEG в зависимости от увеличения разницы температур ( ΔT ). c Выходное напряжение холостого хода (черный) и мощность (красный) развитого DC-ThEG увеличиваются по мере увеличения ΔT (состояние разомкнутой цепи: K 1 -ON, K 2 -ВЫКЛ). d Выходная мощность для различных внешних нагрузочных резисторов при разном ΔT (состояние с подключенной нагрузкой: K 1 -ON, K 2 -ON). Максимальное значение ~ 2,9 мкВт было достигнуто при ΔT и сопротивлении нагрузки 50 ° C и 1,8 кОм соответственно

Разница температур является важным параметром для оценки характеристик ТЭГ, которая определяется как температура на горячая сторона минус холодная, одновременно измеряемая термометром.На рисунке 3b показаны практические тенденции повышения температуры горячей стороны T 1 и температуры холодной стороны T 2 , когда источник тепла 90 ° C был приложен к одной стороне устройства. Температура горячей стороны T 1 резко выросла с 25,2 ° C (комнатная температура) до 86,5 ° C, в то время как температура холодной стороны T 2 немного повысилась с 25,2 ° C до 36,5 ° C. .Как показано на рис. 3c, при включении переключателя K 1 и выключении переключателя K 2 было получено выходное напряжение холостого хода разработанного DC-ThEG, которое линейно увеличивается с увеличением разницы температур ΔT , приложенной к устройству (т. е. черная кривая). Высокое выходное напряжение холостого хода ~ 151 мВ и выходная мощность 13 мкВт (т. Е. Красная кривая) были достигнуты, когда ΔT устройства составляло 50 ° C.На рисунке 3d показаны выходные характеристики предлагаемого DC-ThEG для внешних нагрузок с различным сопротивлением от 0,1 кОм до 30 кОм при различных перепадах температур, когда включены переключатели K 1 и K 2 . . Мы можем наблюдать следующие два аспекта: во-первых, когда значение резистора нагрузки было постоянным, выходная мощность на соответствующем резисторе нагрузки увеличивалась с увеличением разницы температур устройства.Во-вторых, когда разность температур устройства была постоянной, выходная мощность на резисторах сначала показывала тенденцию к увеличению, когда сопротивление внешних нагрузочных резисторов увеличивалось с 0,1 кОм до 1,8 кОм, а затем демонстрировала тенденцию к снижению, поскольку сопротивление внешней нагрузки нагрузочные резисторы увеличены с 1,8 кОм до 30 кОм. Другими словами, когда изготовленное устройство работало как сборщик тепловой энергии, его согласованная нагрузка составляла ~ 1,8 кОм. В данной работе максимальная выходная мощность изготовленного ТЭГ постоянного тока на внешние резисторы достигла ~ 2.9 мкВт, когда ΔT устройства составляло 50 ° C, а резистор нагрузки имел согласованное сопротивление 1,8 кОм. Кроме того, с учетом общей площади термоэлектрических ветвей и переходов (т.е. 8,43 см 2 ) соответствующая максимальная плотность выходной мощности нагрузки составила 3,44 мкВт / м 2 . Стоит отметить, что благодаря свойству непрерывного выхода постоянного тока ТЭГ изготовленное устройство может быстро заряжать конденсаторы для питания носимой электроники, что продемонстрировано в разделе «Зарядные свойства ТЭГ постоянного тока».

Измерение надежности и повторяемости

Для носимых устройств сбора энергии требуются исключительная механическая надежность и повторяемость выходного сигнала. Поэтому была проведена серия испытаний на надежность и повторяемость для систематической оценки пригодности предлагаемого DC-ThEG к носке, как показано на рис. 4. На рис. 4a показаны отношения изменения сопротивления изготовленного DC-ThEG в состоянии изгиба для различных радиусы от 5 см до 1,5 см как по длинной оси (A – A ′), так и по короткой оси (B – B ′) направлениям.Коэффициент изменения сопротивления определяется как (R R 0 ) / R 0 , где R 0 относится к начальному общему сопротивлению. из 10 пар термопар и R относится к сопротивлению в реальном времени, испытанному в специальных условиях эксплуатации. На вставке к рис. 4а показаны различные радиусы изгиба. Когда изготовленный DC-ThEG изгибался вдоль длинной оси (A – A ‘) и короткой оси (B – B’) до радиуса 3 см, соответствующие отношения изменения сопротивления 10 пар термопар равнялись 1.69% и 1,38% соответственно. Другими словами, изготовленное устройство можно изгибать до радиуса 3 см в обоих направлениях, при этом общее сопротивление остается почти постоянным. На рисунке 4 (b) показаны отношения изменения сопротивления и выходные характеристики изготовленного DC-ThEG после выдерживания различных циклов изгиба до радиуса 3 см. После 1000 циклов изгиба до радиуса 3 см в направлении длинной оси (A – A ‘) и направлении короткой оси соответствующие коэффициенты изменения сопротивления устройства составили 4.41% и 4,46%, соответственно, в то время как выходное напряжение устройства при ΔT = 50 ° C практически соответствовало исходному значению. На вставке к фиг. 4b показан изгиб устройства, отмеченный направлениями изгиба. Как показано на фиг. 4c, сопротивление двух цепочек немного увеличивалось с повышением температуры в результате усиления фононного рассеяния носителей заряда, снижающего подвижность носителей заряда 43,44 . Изменение сопротивления было приблизительно линейным с небольшой скоростью увеличения менее 1% на 6 ° C.Кроме того, повторяемость предложенного DC-ThEG была изучена в эксперименте по нагреванию с циклом 100 циклов, как показано на фиг. 4d. После 100-циклового нагрева как общее сопротивление 10 пар термопар (возвращенных к комнатной температуре), так и выходное напряжение устройства ( ΔT = 50 ° C) оставались в высокой степени согласованными с соответствующими исходными значениями. Таким образом, приведенный выше анализ показывает замечательную механическую надежность и воспроизводимость выходного сигнала разработанного DC-ThEG, что делает его надежным источником питания носимых электронных устройств.

Рис. 4: Комплексные испытания надежности разработанного DC-ThEG.

a Коэффициенты изменения сопротивления изготовленного DC-ThEG в состоянии изгиба для различных радиусов от 5 см до 1,5 см, показанные на вставке в ( a ), вдоль направления длинной оси (A – A ‘) и направление короткой оси (B – B ‘), показанное на вставке в ( b ). Изготовленное устройство можно изгибать до радиуса 3 см в обоих направлениях, при этом сопротивление остается почти постоянным. b Коэффициенты изменения сопротивления и выходные напряжения ( ΔT = 50 ° C) разработанного DC-ThEG при различных циклах изгиба как в направлениях A – A ‘, так и в B – B’, которые были замечательно стабильны даже после 1000 изгибов циклы. c Подобно другим традиционным ТЭГ, сопротивление этого DC-ТЭГ увеличивается с увеличением температуры, но стоит отметить, что это увеличение является линейным и остается на относительно низком уровне с увеличением менее 1% на каждые 6 ° C. . d Воспроизводимость разработанного DC-ThEG была проверена 100-цикловым нагревом, который показал, что его сопротивление и выходные характеристики остаются стабильными. Короче говоря, в качестве одного из наиболее важных факторов устойчивых источников питания для приложений носимой электроники были подтверждены надежность и повторяемость предложенного DC-ThEG. новая структура двухцепочечных термоэлектрических ветвей, показанная на рис.2а, что позволяет использовать ТЭГ в качестве емкостного датчика, обеспечивая при этом плотность генерируемой электроэнергии. В этой работе мы использовали фиброин шелка, чтобы закрыть зазор между двумя термоэлектрическими ветвями, чтобы он служил функциональным компонентом для определения наличия воды в жидком состоянии в воздухе и температуры.

Фактически, вода с двумя состояниями (т.е. газовое и жидкое состояние) может сосуществовать в воздухе. Вода в газообразном состоянии в воздухе представляет собой водяной пар, в то время как вода в жидком состоянии в воздухе относится к взвешенным крошечным каплям, которые имеют баланс между гравитацией и плавучестью, т.е.э., туман. Обычные датчики влажности могут реагировать как на жидкую, так и на газообразную воду в воздухе; поэтому обычным датчикам влажности очень трудно судить о том, существуют ли в воздухе молекулы воды в жидком состоянии. Из-за различного поведения абсорбции фиброина шелка для воды в разном состоянии в воздухе (то есть в газовом и жидком состояниях) предложенный DC-ThEG был продемонстрирован как датчик для обнаружения наличия воды в жидком состоянии в воздухе.

Рабочий механизм и измерения предлагаемого DC-ThEG для обнаружения воды в жидком состоянии в воздухе показаны на рис.5а – с. Когда фиброин шелка между двумя термоэлектрическими ветвями цепей поглощает молекулы воды, его диэлектрическая проницаемость увеличивается, что приводит к увеличению емкости DC-ThEG. Напротив, диэлектрическая проницаемость фиброина шелка снижается, когда фиброин шелка десорбирует молекулы воды, что приводит к уменьшению емкости DC-ThEG. Вышеупомянутый рабочий механизм в сочетании с различными характеристиками абсорбции фиброина шелка для воды в различных состояниях воздуха (то есть в газообразном и жидком состояниях) позволяет разработанному DC-ThEG обнаруживать наличие воды в жидком состоянии в воздухе.В ходе эксперимента была построена испытательная установка для проверки этой характеристики изготовленного устройства, как показано на рис. 5а. Два контроллера влажности, основанные на разных принципах работы, были отдельно использованы для подачи молекул воды в газообразном и жидком состоянии для моделирования соответствующих условий воздуха, а измеритель LCR был применен для отслеживания изменения емкости предлагаемого DC-ThEG в реальном времени.

Рис. 5: Функциональный механизм обнаружения и измерения разработанного DC-ThEG.

a Когда фиброин шелка между двумя цепями термоэлектрических ветвей поглощает молекулы воды, его диэлектрическая постоянная увеличивается, что приводит к увеличению емкости DC-ThEG.Напротив, десорбция молекул воды из фиброина шелка приводит к снижению емкости устройства. Была построена испытательная установка для анализа поведения поглощения изготовленным устройством молекул воды в двух различных состояниях; Эта установка состоит из двух контроллеров влажности для подачи воды в жидком и газообразном состоянии, соответственно, и измерителя LCR для отслеживания изменения емкости в реальном времени. b Характеристики абсорбции фиброина шелка для воды в воздухе в различном состоянии (т. Е.е., газовое и жидкое состояния). В этой функции оба переключателя K 1 и K 2 были выключены, как показано на принципиальной схеме на вставке. Изготовленное устройство показало резкое увеличение емкости с 15,9 пФ до 100,1 пФ, когда молекулы жидкой воды применялись в течение 10 с (черный цвет). После удаления молекул жидкой воды через 10 с емкость резко снизилась. Напротив, емкость изготовленного устройства не изменилась (красный цвет) после воздействия молекул газообразной воды в течение 10 с, за исключением только нормальных колебаний, как показано в ( c ). d Наблюдалась хорошая линейная зависимость между емкостью и температурой, что дает разумные доказательства, подтверждающие возможность использования разработанного DC-ThEG для измерения температуры

Когда переключатели K 1 и K 2 были выключены, DC-ThEG работал в режиме измерения на основе емкости, как показано на принципиальной схеме на вставке к рис. 5b. Результаты экспериментов, представленные на рис.5b точно подтверждают различия в поведении абсорбции фиброина шелка для воды с двумя состояниями в воздухе. В эксперименте от 0 до 10 с на устройство отдельно подавалась вода с двумя состояниями, чтобы наблюдать изменения емкости в соответствующих процессах поглощения. Через 10 с подачу воды прекращали, и устройство переводили в нормальные воздушные условия для исследования процессов десорбции. Когда воду с двумя состояниями отдельно наносили на DC-ThEG, наблюдались явно разные характеристики емкостного отклика изготовленного устройства.Емкостная реакция устройства на воду в газообразном состоянии в воздухе, показанная красной кривой на рис. 5b, оставалась почти постоянной как в процессах абсорбции, так и в процессах десорбции. Из увеличенной формы кривой емкостного отклика, показанной на рис. 5с, наблюдались только нормальные флуктуации ~ 0,2 пФ до и после десятой секунды, что свидетельствует об отсутствии реакции изготовленного устройства на воду в газообразном состоянии в воздухе. Напротив, изготовленный DC-ThEG показал интенсивное увеличение емкости в ответ на воду в жидком состоянии, как показано черной кривой на рис.5б. Емкость DC-ThEG быстро увеличивалась с начального значения ~ 15,9 пФ до ~ 100,1 пФ в течение 10 с после того, как на него была подана вода в жидком состоянии, подаваемая контроллером влажности. Когда подача жидкой воды была прекращена и устройство было переведено в нормальные воздушные условия, емкость DC-ThEG быстро упала до 25 пФ в течение 2 с из-за большой разницы в концентрации молекул воды между устройством и воздушной средой и затем восстановился до исходного значения спустя ~ 8 с.Таким образом, было доказано, что разработанный DC-ThEG обладает способностью обнаруживать присутствие воды в жидком состоянии в воздухе на основе комбинации рис. 5a – c и приведенного выше анализа. Эта особенность также имеет хорошую повторяемость, что может быть доказано объединением рис. S3, S4 и соответствующий анализ в файле вспомогательной информации.

Кроме того, изменение температуры обычно вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрического материала, то есть увеличение или уменьшение, которое может быть линейным или нелинейным.Повышение температуры усилит молекулярное движение фиброина шелка, что приведет к увеличению диэлектрической проницаемости фиброина шелка 45 . В этой работе мы также изучили влияние температуры на диэлектрическую проницаемость полученного нами фиброина шелка, наблюдая за изменением емкости устройства с температурой. В результате наблюдалась линейная зависимость между емкостью DC-ThEG и температурой, как показано на рис. 5d, который предоставляет убедительные доказательства, демонстрирующие возможность функционирования разработанного DC-ThEG в качестве датчика температуры.

Взаимодействие между сбором тепловой энергии и функциональным зондированием

В этой работе сбор тепловой энергии на основе термоэлектрического эффекта (т. Е. Эффект Зеебека) и многофункциональное зондирование на основе емкостного эффекта были объединены в одном устройстве; однако эти характеристики могут взаимодействовать из-за различий между условиями их работы, то есть разницы температур для выработки электроэнергии и влажного воздуха для функционального зондирования. Поэтому для систематического изучения взаимодействия между этими характеристиками была проведена серия экспериментальных сравнений, как показано на рис.6 и 7. Влияние покрытия из фиброина шелка на выходную термоэлектрическую мощность предлагаемого DC-ThEG было изучено путем тестирования того же устройства до и после закрытия промежутка между двумя термоэлектрическими ветвями цепи фиброином шелка, как показано на рис. 6а. Напряжение холостого хода устройства после закрытия промежутка пленкой из фиброина шелка незначительно снижалось только в случаях большой разницы температур, например, ΔT > 25 ° C. Другими словами, в случае ношения покрытие из фиброина шелка практически не влияло на термоэлектрические характеристики устройства.Кроме того, мы поместили устройство в атмосферную среду, среду, заполненную молекулами воды в газообразном состоянии, и среду, заполненную молекулами воды в жидком состоянии, и протестировали соответствующие выходные напряжения, чтобы исследовать влияние молекул воды с двумя состояниями на выходной сигнал. производительность устройства. Как показано на рис. 6b, независимо от того, работал ли изготовленный DC-ThEG в среде, заполненной молекулами воды в газообразном состоянии или в среде, заполненной молекулами воды в жидком состоянии, падение напряжения холостого хода устройства было незначительным. наблюдается только в случаях больших температурных перепадов, таких как ΔT > 30 ° C, что указывает на устойчивость разработанного DC-ThEG к влаге при выработке тепловой энергии, особенно в случае износа.

Рис. 6: Исследование влияния интеграции функциональных датчиков на термоэлектрические выходные характеристики предлагаемого DC-ThEG.

a Сравнение выходных характеристик устройства до и после закрытия промежутка между двумя термоэлектрическими ветвными цепями фиброином шелка. Незначительное снижение напряжения холостого хода устройства происходило после закрытия промежутка фиброином шелка только в случаях больших температурных перепадов (т.е. ΔT > 25 ° C). b Сравнение выходных характеристик устройства в атмосферной среде, среде, заполненной молекулами воды в газообразном состоянии, и среде, заполненной молекулами воды в жидком состоянии. В трех средах напряжения холостого хода устройства имели небольшие различия только в случаях большой разницы температур (т.е. ΔT > 30 ° C). Таким образом, предлагаемый DC-ThEG при ношении обладает хорошей устойчивостью к молекулам воды в различных состояниях

Рис.7: Исследование влияния температуры, применяемой для термоэлектрической генерации, на функциональное восприятие обнаружения существования молекул воды в жидком состоянии в воздухе.

a Реакция разработанного DC-ThEG на подаваемые молекулы воды в жидком состоянии при различных температурах. От (i) до (v) DC-ThEG показал явно ослабленную емкостную характеристику при повышении температуры. При 40 ° C только небольшое изменение емкости наблюдалось в b увеличенном изображении поведения емкостного отклика, а при 45 ° C в разработанном DC-ThEG не наблюдалось очевидного изменения емкости, за исключением нормальных колебаний в ответ на воздействие жидкости. состояние молекул воды, которые можно увидеть в c увеличенном виде формы сигнала емкостной характеристики

Кроме того, влияние температуры на функциональное зондирование было изучено путем наблюдения за поведением емкостного отклика DC-ThEG для подаваемого жидкого состояния молекулы воды при различных температурах устройства, как показано на рис.7. Судя по осциллограммам емкостного отклика, показанным на фиг. 7a, отклик предлагаемого DC-ThEG на поданные молекулы воды в жидком состоянии постепенно ослабевает по мере увеличения температуры устройства. Когда температура устройства достигла 40 ° C, соответствующая емкостная характеристика показала лишь небольшое увеличение с 20,4 пФ до 21,6 пФ в течение 10 с после того, как в устройство была подана вода в жидком состоянии, подаваемая контроллером влажности, и емкость устройство оставалось почти стабильным, когда температура устройства достигла 45 ° C, что можно наблюдать на увеличенных кривых отклика емкости, показанных на рис.7б, в соответственно. Следовательно, характеристика изготовленного DC-ThEG, заключающаяся в обнаружении наличия воды в жидком состоянии в воздухе, была чувствительной к температуре. К счастью, температура поверхности кожи человека и температура окружающей среды обычно не выше 40 ° C; поэтому в условиях ношения разработанный DC-ThEG обладает чувствительной емкостной реакцией на воду в жидком состоянии в воздухе, что позволяет ему служить детектором воды в жидком состоянии в воздухе.

Следует отметить, что и сбор тепловой энергии, и измерение температуры основаны на изменениях температуры; следовательно, между ними нет взаимного влияния.Другими словами, в случае износа функции выработки тепловой энергии и измерения для обнаружения воды в жидком состоянии и определения температуры могут сосуществовать в рабочих условиях друг друга.

Зарядные свойства DC-ThEG

Ожидается, что как экологически чистая энергетическая технология, ThEG будут использоваться для преобразования тепла промышленных отходов и тепла человеческого тела в электрическую энергию; таким образом, они считаются решением проблемы энергетического кризиса и энергетического загрязнения. Одним из основных параметров оценки производительности ThEG является возможность зарядки.В этой работе для двух сценариев применения высокотемпературных сред и условий износа мы протестировали зарядные свойства предлагаемого DC-ThEG, как показано на рис. 8. Для высокотемпературных сред мы взяли ΔT = 50 °. C в качестве примера и проверил зарядную способность предлагаемого DC-ThEG путем зарядки конденсатора емкостью 2200 мкФ и двадцати двух параллельных конденсаторов емкостью 2200 мкФ. Как показано на рис. 8а, время зарядки конденсатора и двадцати двух параллельных конденсаторов, которые необходимо заряжать от 0 до ~ 150 мВ, составляло 19.6 с и 369,0 с соответственно. Стоит отметить, что двадцать два конденсатора по 2200 мкФ были подключены к последовательно-параллельной схеме переключения, а затем к DC-ThEG. Принципиальная схема последовательно-параллельной коммутационной схемы показана на рис. S5 в файле вспомогательной информации. После того, как двадцать два параллельных конденсатора были заряжены до 150 мВ, мы отключили параллельные переключатели и включили последовательные переключатели; таким образом, было достигнуто выходное напряжение 3,3 В, как показано на вставке к рис. 8a. Это 3.Выход 3 В может питать большинство коммерческих электронных устройств, показывая потенциальную применимость предлагаемого DC-ThEG. Кроме того, для дальнейшей оценки зарядной способности DC-ThEG было выбрано несколько других конденсаторов с разными значениями емкости для зарядки от DC-ThEG, то есть 100 мкФ, 220 мкФ, 470 мкФ и 1000 мкФ, как показано. на рис. S6 в файле вспомогательной информации. Для зарядки двадцати двух параллельных конденсаторов емкостью 100 мкФ от 0 до 150 мВ потребовалось всего 11,9 с, что подтверждает отличные возможности зарядки предлагаемого DC-ThEG.Кроме того, чтобы показать реальное влияние на устойчивое снабжение носимой энергией, 4 DC-ThEG были подключены последовательно и надеты на руку человека для преобразования тепла человеческого тела в электричество для зарядки двадцати двух параллельных конденсаторов по 1000 мкФ, как показано на рис. 8б, в. Чтобы зарядить двадцать два параллельных конденсатора по 1000 мкФ до 55 мВ, как показано на рис. 8d, потребовалось 860,5 с, а выходное напряжение более 1,2 В было получено с помощью последовательно-параллельной коммутационной схемы, которая может питать некоторые маломощные устройства. электронные устройства потребления, такие как коммерческий калькулятор, показанный на рис.8e. Соответствующие процессы зарядки конденсаторов и питания вычислителя показаны в дополнительном видео S1. Стоит отметить, что с одной стороны устройств была прикреплена высококремнеземистая ткань толщиной 1 мм, служащая теплоизоляционным слоем для обеспечения разницы температур. Таким образом, приведенные выше экспериментальные результаты в сочетании с результатами, показанными на рис. 5, показывают, что предлагаемый DC-ThEG будет иметь широкий спектр применений в обозримом будущем.

Рис.8: Было продемонстрировано, что предложенный DC-ThEG обладает отличной способностью к зарядке и успешно питает портативную электронику.

a Время зарядки конденсатора 2200 мкФ и двадцати двух параллельных конденсаторов 2200 мкФ от 0 до 150 мВ составило 19,6 с и 369,0 с, соответственно. (вставка) Посредством последовательно-параллельной схемы переключения был получен выходной сигнал 3,3 В, который обычно используется для управления электронными устройствами с низким энергопотреблением, такими как носимая электроника.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.