Создан материал, превращающий тепло в электричество с рекордной эффективностью

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

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

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

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

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

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

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

В МИЭТе разрабатывают устройство для извлечения энергии из лишнего тепла

НИУ МИЭТ/Новости/В МИЭТе разрабатывают устройство для извлечения энергии из лишнего тепла

В МИЭТе разрабатывают устройство для извлечения энергии из лишнего тепла

03 июня 2020 1565 просмотров

Как говорят ученые, новый термоэлектрический генератор (ТЭГ) будет вырабатывать электроэнергию в результате использования бросового тепла в широком диапазоне температур.

Часть технологии уникального устройства разрабатывается в рамках гранта РФФИ «Моделирование эффективных многосекционных термоэлементов для рабочих температур до 1200 К с учетом тепло- и электрофизических параметров используемых термоэлектрических материалов и контактных систем».

«Вопрос преобразования потерянного, так называемого бросового тепла, в электрическую энергию является одним из ключевых для ведущих экономик мира, – говорит разработчик, доцент Института перспективных материалов и технологий (ПМТ) НИУ МИЭТ Максим Штерн. – Сейчас более 60% вырабатываемой энергии теряется. Утилизация даже части этого бесполезно теряемого тепла, за счет ТЭГ, приведет не только к существенной экономии энергоресурсов, но и к снижению вредных выбросов в атмосферу. Освоение Арктики, Антарктики, труднодоступных районов Крайнего Севера России невозможно без использования атомных станций малой мощности, оснащенных ТЭГ. Кроме того, такие источники электрической энергии имеют длительный срок работы без обслуживания, значительно превосходящий ресурс топливных элементов или аккумуляторов».

Чтобы представить работу создаваемого термоэлемента, достаточно вспомнить, как добывали энергию партизаны, находясь в землянках. Они ставили на керосиновую лампу термоэлектрический генератор ТГК-3 и с его помощью передавали радиосигналы. Кстати, говорят, что немцы долго не могли понять, как из осажденного леса велись долгие радиопередачи без привычного электричества.

Или, допустим, далеко за пределами города, у вас нет возможности зарядить смартфон, а сделать это нужно. Вы закрепляете предлагаемый прибор на котелке, который греет не только пищу, но и воздух вокруг, и получаете из этого тепла энергию для подзарядки вашего гаджета. И тут важно, что с самим генератором ничего не случится – он не расплавится и не деформируется от раскаленного котелка.

А теперь умножаем эти ситуации в тысячи раз и получаем примерную картину работы будущего прибора, который позволит преобразовать огромное количество бросового тепла, выделяемое, например, при получении электроэнергии в атомных станциях или ТЭЦ, радиоактивными элементами, используемыми в космических кораблях дальнего следования.

«В устройстве будет две стороны: одна будет устанавливаться на источник тепла (горячая), а другая охлаждаться (холодная). В проекте термоэлемент, из которого состоит термоэлектрический модуль, поделен на 4 части, которые мы планируем сделать из разных материалов, соединенных между собой. Части поделены так, чтобы каждая из них работала в своем диапазоне температур, в котором имеет наибольший «КПД». Самая горячая будет иметь 900 градусов по Цельсию, а самая холодная – 20».

На сегодняшний день ученые уже нашли материалы для всех слоев нового термоэлектрического генератора. Об одном из них мы уже подробно рассказывали РИА Новостям. Но впереди предстоит еще много экспериментов, которые Институт ПМТ МИЭТ проводит на базе Центра коллективного пользования «Электронные приборы и оборудование».

«Сейчас мы экспериментируем с материалами и пытаемся добиться высоких тепло- и электрофизических параметров. Исследуем их стабильность, состав после нагрузок. Пока что надеемся разработать технологию создания прибора за три года.

Задел в виде подобранных материалов у нас уже есть. Ну и, надеемся, что к 2023 году новый способ преобразования бросового тепла уже сможет успешно использоваться на благо человечества», – рассказал Медиа-Центру Максим Штерн.

1.1. Эффекты Зеебека и Пельтье

Преобразование тепла в электрическую энергию, происходящее в термоэлементе, обычно называют эффектом Зеебека. Термоэлементы, называемые термопарами, применяют для измерения температуры, особенно в труднодоступных местах. Если один спай находится в контролируемой точке, а другой – при комнатной температуре, которая известна, то термо-ЭДС служит мерой температуры в контролируемой точке. Большие успехи достигнуты в области применения термоэлементов для прямого преобразования тепла в электроэнергию в промышленных масштабах.

Если через термоэлемент пропускать ток от внешнего источника, то холодный спай будет поглощать тепло, а горячий – выделять его. Такое явление называется эффектом Пельтье. Этот эффект можно использовать либо для охлаждения с помощью холодных спаев, либо для обогрева горячими спаями. Тепловая энергия, выделяемая горячим спаем, больше полного количества тепла, подведенного к холодному спаю, на величину, соответствующую подведенной электрической энергии. Таким образом, горячий спай выделяет больше тепла, чем соответствовало бы полному количеству электрической энергии, подведенной к устройству. В принципе большое число последовательно соединенных термоэлементов, холодные спаи которых выведены наружу, а горячие находятся внутри помещения, можно использовать в качестве теплового насоса, перекачивающего тепло из области с более низкой температурой в область с более высокой температурой. Теоретически выигрыш в тепловой энергии по сравнению с затратами электрической энергии может составлять T₁/(T₁ – T₂).

К сожалению, для большинства материалов эффект настолько мал, что на практике потребовалось бы слишком много термоэлементов. Кроме того, применимость эффекта Пельтье несколько ограничивает теплопередача от горячего спая к холодному за счет теплопроводности в случае металлических материалов. Исследования полупроводников привели к созданию материалов с достаточно большими эффектами Пельтье для ряда практических применений. Эффект Пельтье оказывается особенно ценным при необходимости охлаждать труднодоступные участки, где непригодны обычные способы охлаждения. С помощью таких устройств охлаждают, например, приборы в космических кораблях.

Альтернативная энергетика

Термоэлектрическое преобразование энергии

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

   

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

Несмотря на относительно низкий КПД термоэлектрического преобразования энергии, который на текущий момент составляет 5-8%, благодаря отсутствию движущихся частей, бесшумности и надежности, позволяющей работать таким системам в необслуживаемом режиме в течение длительного срока эксплуатации, который может достигать десятилетий, ТЭГ нашли свое применение при создании резервных или аварийных источников электроэнергии в районах децентрализованного электроснабжения, в частности на Крайнем Севере, генераторов на органическом топливе для защиты трубопроводов от коррозии (станции катодной защиты) и питания газораспределительных пунктов.

На сегодняшний день таким генераторам практически нет альтернативы при освоении дальнего космоса. Запущенные в 1977 году 2 аппарата программы Вояджер с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ) на борту, успешно исследовав дальние планеты Солнечной системы, в настоящее время продолжают передавать данные для исследования переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой, являясь самыми удалёнными, долго и продуктивно работающим космическими объектами, созданным руками человека.

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

Успешное применение термоэлектрического преобразования энергии в космических системах, высокая надежность РИТЭГ, огромное количество тепла, рассеиваемого в атмосфере, а также наметившийся мировой тренд на повышение энергоэффективности и экологичности технологий побуждают исследователей к расширению областей применения термоэлектрических генераторов, поиску и разработке новых более эффективных термоэлектрических материалов, оптимизации конструкторско-технологических решений, снижению стоимости подобных систем.

 В 2006 году, например, для изучения Плутона и его спутника Харона запущена автоматическая межпланетная станция «Новые рубежи» с РИТЭГ на борту.

 

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

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

 

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

 

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, который позволяет определять параметры математической модели и проводить её верификацию, исследовать особенности работы и производить доводку термоэлектрического генератора при установке его на различные двигатели. Входящие в состав стенда ступичный мощностной стенд и нагрузочное устройство позволяют проводить испытания ТЭГ в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля.

Разработаны и изготовлены макеты ТЭГ для легковых и грузовых автомобилей мощностью: до 500 Вт и до 1 кВт.

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

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

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

Человеческое тепло станет вечным источником энергии?

Yagi Studio Getty Images

Сможем ли мы в будущем подзаряжать бытовые приборы и гаджеты за счет бесплатной энергии, которую каждый день мы сами производим естественным образом, собственным теплом? Молодая инновативная швейцарская компания разработала технологию, преобразующую тепло человеческого тела в электрическую энергию. 

Этот контент был опубликован 06 мая 2021 года – 07:00 06 мая 2021 года – 07:00

Луиджи Йорио

Журналист из Тичино, живущий в Берне, освещаю вопросы науки и общества в репортажах, статьях, интервью и аналитических материалах. Меня интересуют проблематика климата, энергетики и окружающей среды, а кроме того – все, что связано с миграцией, с помощью в целях развития и с правами человека.

Больше материалов этого / этой автора | Италоязычная редакция

Доступно на 9 других языках

Русскоязычную версию подготовила Лейла Бабаева.

Забудьте на мгновение о солнечной энергии, биомассе, энергии ветра и гидроэнергетике. А что если будущие возобновляемые источники энергии кроются… в самих людях? Все мы смотрели «Матрицу» и по меньшей мере с тех самых пор знаем, что тело человека генерирует тепло. Злобные машины использовали в фильме этот феномен для того, чтобы, превратив людей в батарейки и «прокачав» им головы воображаемой реальностью, получить бесплатный и вечный источник энергии. Но что если эта технология однажды будет на самом деле реализована не в антиутопии, а на практике? 

Внешний контент

Когда у нас поднимается температура или когда мы занимаемся спортом, мы ощущаем внутреннее тепло. Это свойство нашего организма отличает нас от рептилий и других холоднокровных животных, а еще оно стало источником бесчисленных литературных метафор, от «энергичного» характера до «горячего сердца», к которому должны, как известно, должны прилагаться холодная голова и чистые (в коронавирусном смысле) руки. В то же время не все знают о том, что тепло человеческого тела действительно можно напрямую преобразовывать в электричество. 

Внешний контент

Идея не нова, однако высокотехнологичные устройства, например, умные часы и фитнес-браслеты, способные приносить практическую пользу, и которые можно было бы выпустить на массовый рынок, были разработаны только в самые последние годы. Швейцарский стартап Mithras намерен закрепиться на этом пока нишевом рынке и предложить свои инновационные разработки. Созданная при поддержке Высшей технической школы Цюриха (ETH) в 2018 году, компания принадлежит к десяткам перспективных стартапов, возникающих сейчас в стране та стыке экономики, бизнеса и фундаментальной науки. 

«Я всегда хотел изобрести нечто, что имело бы большой потенциал развития и я интересовался сферой высоких технологий», — говорит Франко Мембрини (Franco Membrini), основатель и исполнительный директор компании Mithras. По образованию он историк, но его всегда привлекала перспектива изучения «энерго-теплового потенциала» человеческого организма поскольку он видел в этом «замечательную возможность внести вклад в создание сети децентрализованного производства электрической энергии», то есть сети, для которой не нужны столбы, провода, платины и огромные реакторы. 

Потенциал: 10% потребляемой в мире энергии

Тепловая энергия, которую в среднем  излучает человеческое тело за единицу времени, эквивалентна 100-ваттной электрической лампе накаливания. Большая часть этой энергии уходит без какой-либо пользы в окружающую среду, и вот как раз именно эти-то «отходы» молодая компания из города Кур что в кантоне Граубюнден и намерена использовать в качестве источника энергии с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ), который для выработки электроэнергии использует так называемый «эффект Зеебека».  

Речь идет о разнице температур между поверхностью кожи и окружающей средой, за счет которой и получается даровое электричество. «Эта разница очень важна, чем она больше, тем больше выработка энергии, независимо от того, находитесь ли вы в полярном регионе или в пустыне. Чтобы начать вырабатывать электроэнергию достаточно разницы в один градус Цельсия», – объясняет 29-летний Франко Мембрини. Использовать всю тепловую энергию человеческого тела со 100-процентной эффективностью невозможно. 

Внешний контент

Тем не менее, «использование ТЭГ представляют собой, с нашей точки зрения, довольно многообещающую стратегию с огромным потенциалом». По его расчетам, тепло, вырабатываемое более чем 7,7 миллиардами жителей Земли, может обеспечить до 10 % от всей энергии, потребляемой на планете. «Каждый день взрослый человек выделяет в среднем 3 кВт⋅ч энергии, этого объема хватило бы на работу современного жидкокристаллического телевизора в течение 30 часов».

Оптимизация забытой технологии

«Использовать человеческую энергию в качестве возобновляемого источника электричества ученые и инженеры пытаются уже с начала 20 века», — напомнил Франко Мембрини, приведя в пример радиопередатчики, получавшие энергию за счет ручной динамо-машинки и широко распространенные в 1940-е годы. Однако быстрый прогресс, достигнутый в области производства аккумуляторов, отодвинул такие энергосистемы на второй план, которые могли бы подпитываться людьми. Успехи, достигнутым в области материаловедения и в сфере производства переносных устройств, энергия, производимая телом человека, снова вызывает живейший интерес инженеров. 

«Эффект Зеебека»

Явление возникновения ЭДС (электродвижущей силы) на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Этот эффект иногда называют также «термоэлектрическим эффектом». 

Открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Thomas Johann Seebeck; 1770–1831). Результаты своих опытов он в 1822 году опубликовал в «Докладах Прусской академии наук» в формате статьи под названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

В 1980 году компания Bulova выпустила разработанные в г. Биль (кантон Берн) часы Thermatron, работающие за счет выделяемой телом энергии. Позднее их производство было прекращено из-за технических трудностей.

В 2009 году инженер ETH Цюриха Вульф Глатц (Wulf Glatz) получил премию ассоциации Swisselectric за разработку термоэлектрического генератора, использующего разницу температур между воздухом и источником тепла.

В 2013 году телекоммуникационная компания Vodafone и Саутгемптонский Университет представили спальный мешок, способный использовать тепло человеческого тела для заряда батареи мобильного телефона.

Термоэлектрические генераторы также используются в космосе. Они вырабатывали энергию для космических зондов «Вояджер» и «Галилео». Новейшее устройство установлено на марсоходе «Персеверанс», который недавно опустился на поверхность Марса.

End of insertion

«По сути мы взяли уже существующую технологию и просто оптимизировали ее для нужд нашей эпохи», — пояснил Франко Мембрини. В самом деле, «эффект Зеебека» известен ученым уже давно. Мы разговариваем с Рене Росси (René Rossi), директор «Лаборатории биомиметических мембран и тканей» швейцарской «Федеральной сертификационной Лаборатории материаловедения» (Empa). «До настоящего времени применение этого эффекта ограничивалось низкой энергоэффективностью предлагавшихся технических систем. 

Но сегодня мы уже в состоянии перейти от масштаба милливатт к нескольким десятым частям 1-го Ватта, а это уже представляет с точки зрения рыночного потенциала значительную потребительскую и коммерческую ценность». По его словам, в настоящее время исследования ведутся в нескольких направлениях. «Например, мы разрабатываем умный текстиль, использующий солнечную энергию. Другие исследовательские рабочие группы стараются найти способ преобразования механической энергии в электричество, например, при помощи интеграции в подошвы обуви особых генераторов».

Заряжая во сне

Что касается компании Mithras, то она работает сейчас над реализацией двух идей. Во-первых, она хочет разработать мини-ТЭГ в виде носимого на запястье браслета, который можно было бы использовать для зарядки мобильных устройств. Во-вторых, компания ищет способ найти инженерное решение, при котором термоэлектрический генератор встраивался бы непосредственно в устройство и подключался бы к его батарее. 

Единственным предварительным условием для производства электричества является прямой контакт устройства с телом. «Неважно, пьете ли вы кофе, занимаетесь ли спортом или спите, батарея будет заряжаться сама по себе», – говорит Франко Мембрини. В настоящее время на его фирме работают шесть человек, компания хочет сосредоточить все свои усилия в основном на разработке индивидуальных медицинских приборов, с учетом их, как правило, низкого энергопотребления.  

«Мы хотели бы, чтобы в будущем такие устройства, как инсулиновые помпы, слуховые протезы или биодатчики, отслеживающие температуру тела и иные жизненно важные функции, были бы полностью автономными, не зависящими от внешних источников энергии. Ведь а таком случае можно избежать проблем, связанных как с отказом батарей, так и с возможными осложнениями в результате хирургической операции по их замене».

Эту технологию можно было бы применять и для зарядки мобильных телефонов, хотя они в настоящее время и не входят в список приоритетов компании Mithras. «С точки зрения нашей технологии обычный смартфон потребляет все еще слишком много энергии. В лучшем случае мы могли бы научиться продлевать срок действия его батарей», — резюмирует Франко Мембрини.

Статья в этом материале

Ключевые слова:

Термоэлектричество: современность

October 09, 2014 2:07pm

Термоэлектрическая генерация может стать серьезным конкурентом других способов получения электроэнергии. Для этого потребуется поднять КПД термоэлектрических генераторов с 10÷13% до 20÷30%, что возможно при помощи разработки полупроводниковых термоэлектрических материалов нового поколения, а также за счет конструктивных решений, повышающих удельно-весовые мощностные характеристики.

---

 

 Активно занимаются поисками новых решений в области термоэлектричества и три компании-резидента Фонда «Сколково»: ООО «СмС тензотерм Рус», ООО «Метемп», ООО «ФЕМТОИНТЕХ». О современном состоянии проблемы, новейших разработках и интересах потребителя – в предлагаемой вашему вниманию статье.

В первой части нашего рассказа речь шла об открытии термоэлектрических явлений: эффекта Зеебека и эффекта Пельтье. Теперь пришла очередь поговорить о современных разработках в этой области. Кратко напомним, что эффект Зеебека состоит в появлении электрического тока при перепаде температур на противоположных сторонах термоэлектрического материала, а эффект Пельтье – наоборот, в охлаждении или нагревании сторон материала при пропускании электрического тока. Наиболее известны устройства на элементах Пельтье – термоэлектрические охладители.

Сейчас на основе элементов Пельтье создают, например, автомобильные холодильники, которые работают от электрической сети машины. Есть даже небольшие устройства, которые можно через USB-порт подключить к персональному компьютеру и охладить в них, например, пиво в жестяной банке.

USB-охладитель напитков на основе элемента Пельтье

 

Конечно, у элементов Пельтье есть и более серьезные задачи. Они охлаждают микросхемы во многих электронных устройствах, ПЗС-матрицы в инфракрасных датчиках (например, в приборах ночного видения и цифровых камерах), полупроводниковые лазеры. Приборы, в которых проходит столь важная для современных исследований в молекулярной биологии полимеразная цепная реакция (ПЦР), также используют для охлаждения элементы Пельтье. Разные стадии ПЦР должны проходить при температурах более 90°, 70° – 72° и около 60°. При этом цикл повторяется много раз. Чтобы быстро охладить пробирки с образцами с 90° до 70°, требуется помощь элемента Пельтье.

Эффект Зеебека, как мы помним, использовался партизанами Великой Отечественной войны, чтобы подзаряжать батареи радиопередатчика от костра. Теперь же термоэлектрогенераторы отправились далеко в космос. И на марсоходе Curiosity, и на межпланетном аппарате Cassini, и на станции New Horizons, которая эти летом пересекла орбиту Нептуна и устремилась к Плутону, источником электроэнергии служат радиоизотопные термогенераторы. Тепло, необходимое для появления разности температур, в них выделяется при распаде радиоактивного плутония-238. Например, работу Cassini обеспечивают целых три термоэлектрогенератора, каждый из которых содержит по 11 килограммов плутония-238.

Сейчас производят и предназначенные для туристов приборы, позволяющие подзарядить при помощи костра свой телефон. Но на термоэлектричество обращают пристальное внимание и крупные компании, выпускающие технику, снабженную двигателями внутреннего сгорания. В таких двигателях, например, в автомобилях выделяется достаточно много тепла, и расходуется это тепло совершенно зря. Если использовать его для генерации электроэнергии, автомобиль станет куда более экономичным. Пока термоэлектрические генераторы устанавливают в экспериментальных образцах. Но концерн BMW намерен уже ближайшие годы начать их применение в серийных автомобилях.

Есть и еще одна сфера, где работает эффект Зеебека. Это разнообразные тензорезисторы, датчики давления и температуры. Температурные датчики, основанные на возникновении электрического тока при нагревании, оказались очень точны, а размер их весьма мал. Определение потерь тепла в различных производствах, регистрация тепловыделения животными и растениями в биологических опытах – все это случаи, где применяют такие датчики. Сейчас становятся все более востребованными технологии Energy Harvesting, основанные на использовании маломощных автономных электронных устройств, которые работают, не требуя замены батареи. От термоэлектрических генераторов получают энергию беспроводные датчики, сенсоры, системы контроля параметров и передачи информации в труднодоступных или подвижных частях оборудования. Еще одна сфера применения – системы управления отоплением помещений внутри дома и снятия показаний с различных счетчиков учета расходуемых ресурсов («умный дом»).

Конечно, технологии термоэлектричества шагнули далеко вперед с тех пор, как партизаны в лесах заряжали у костров аккумуляторы для радиопередатчиков. Но есть и большие перспективы для их развития. КПД «партизанского котелка» составлял не более 2%, у современных многокаскадных термогенераторов он равен примерно 13%, а в недалеком будущем с разработкой новых полупроводниковых материалов его рассчитывают поднять и до 20% и более. Тогда термоэлектричество станет серьезным конкурентом других способов получения электроэнергии.

Создатели новых термоэлектрических генераторов стремятся заставить их работать при более высоких температурах. Особенно это важно, если мы хотим применить эту технологию, например, в автомобиле. Увы, обычно вещество, которое хорошо проводит электричество, хорошо проводит и тепло. Когда тепло распространяется по веществу, разница температур между холодной и горячей частями генератора снижается, а, как установил еще сам Зеебек, эффект пропорционален разнице этих температур. С общим нагревом, эффективность генератора падает. Чтобы победить теплопроводность, надо получать новые материалы, структура которых на наноуровне придает им необходимые свойства.

Активно используют термоэлектрогенераторы в нефте- и газодобыче. Там для выработки электроэнергии можно использовать даровое тепло от сжигания попутного газа. Устройства обеспечивают работу разнообразных систем дистанционного контроля, телемеханики и других аппаратов, которые должны долго функционировать без обслуживания людьми в отдаленных и труднодоступных районах.

Несколько компаний-резидентов «Фонда Сколково» занимаются проблемами термоэнергетики. ООО «СмС тензотерм Рус» занято созданием устройств на основе сульфида самария (SmS). Благодаря свойствам этого вещества они должны превзойти имеющиеся аналоги по целому ряду параметров. В планах компании разработка как термоэлектрических генероторов, так и охлаждающих устройств, и тензодатчиков.

«Несмотря на то, что наши разработки находятся на стадии научных исследований, у нас уже есть первые результаты и они весьма обнадеживающие, – рассказал Полит.ру директор «Смс Тензотерм» Андрей Молодых. – Измерения показывают, что у нас высокий коэффициент полезного действия. Принципиальное отличие нашего термогенератора от существующих в том, что он работает без создания искусственного градиента температур. Обычно термоэлектрика работает так: на одном конце холодно, на другом – горячо. За счет этого возникает электродвижущая сила и появляется входное напряжение. В наших устройствах этого нет – принудительного охлаждения или специально созданного градиента температур не требуется».

По словам Молодых, в настоящее время компания проводит исследования в области градиента концентрации. «Мы создаем образцы с большим градиентом концентраций и тем самым получаем выходное напряжение при равномерном нагреве. Сейчас все усилия брошены на то, чтобы изучить технологические возможности создания более резкого градиента концентраций за счёт применения всевозможных легирующих примесей», – говорит он.

По мнению директора «СмС Тензотерм», разработки компании могут применяться во всевозможных отраслях. «В первую очередь мы сконцентрированы на создании термоэлектрогенераторов для автономных источников питания, – отмечает он. – Это необслуживаемые источники питания, которые могут быть установлены на маяки и метеостанции. Во-вторых, их использование возможно в автомобильной промышленности – для утилизации вторичного тепла, которое возникает в автомобилях. Нашими разработками уже заинтересовался АВТОВАЗ, а также BMW, которая намерена использовать термоэлектрогенератор для создания серийного гибридного автомобиля. Кроме этого, он может быть использован в атомной энергетике для утилизации вторичного тепла».

«Грант, полученный нами от Сколково, позволил приобрести недостающее оборудование, благодаря которому мы можем намного качественнее и значительно с большей скоростью проводить эксперименты, отмечает специалист. – Кроме того, Сколково также привлекает нас ко всевозможным мероприятиям, как в рамках фонда, так и в России и за рубежом. В частности, в этом году мы смогли поучаствовать в выставке Hannover Messe. Фонд всячески помогает в продвижении нашего проекта, предоставляя таким образом возможность знакомиться с потенциальными инвесторами или партнерами для развития наших исследований».

Созданием новых термоэлектрических материалов занимается компания «Метемп». Ее продукция должна будет работать при высоких температурах. Повышенная эффективность новых материалов достигается работой с их структурой на наноуровне. Основатель компании «Метемп» – резидента Фонда «Сколково», сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрей Воронин рассказывает о создании компании на базе Национального Исследовательского Технологического Университета «МИСиС»: «Исследования термоэлектрических материалов для университета не является новым, большей частью работы были направлены на основной термоэлектрический материал – сплавы на основе висмута, теллура и сурьмы. Этот материал в свое время открыл наш соотечественник Абрам Федорович Иоффе, что послужило отправной точкой внедрения термоэлектричества как явления в нашу жизнь. Этот материал позволил массово создавать устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую и обратно прямым способом.

Сейчас теллурид висмута является доминирующим на рынке. Именно он работает в автомобильных холодильниках, кулерах с водой и простых устройств генерации энергии от источников тепла (до 250 С). Наш коллектив нацелен на создание материалов, которые способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в самом широком диапазоне температур».

Превращать в электроэнергию можно тепло от различных источников, например, от выхлопных газов автомобилей, температура которых достигает 800 С: «Создаются устройства, преобразующие это тепло в электроэнергию, которая возвращается в аккумуляторную батарею автомобиля. В итоге это приводит к экономии топлива. Другое перспективное направление применения термоэлектричества – электроснабжение удаленных объектов. Сейчас мы можем зарядить свой телефон на берегу озера Байкал от костра, но и только. Мы работаем над материалами, которые способны вырабатывать больше энергии, чем это может сделать применяемый сейчас на рынке туллурид висмута. Сейчас подобные материалы находят только специальное применение, так, например, знаменитый марсоход Curiosity получает энергию только от термоэлектрического генератора, источником тепла в котором является радиоактивный изотоп. Но эффективность такого преобразования не достигает и 10%», – поясняет Воронин.

По мнению специалиста, при создании более эффективного материала многие отрасли экономики изменятся: исчезнут фреоновые холодильники, радикально повысится эффективность двигателей внутреннего сгорания и появятся универсальные устройства генерации энергии в любых условиях.

Коллектив ООО «Метемп» проводит исследования материалов на основе оксидов, сплавов Гейслера, скуттерудитов, сплавов кремний-германий. «Все эти материалы эффективно могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую в различных диапазонах, вплоть до 1100 С в случае сплавов на основе кремния и германия, – уточняет Андрей Воронин. Технологическая база НИТУ «МИСиС» позволяет создавать необходимые структуры, вплоть до наноструктурированного материала. Именно эффект наноструктурированния позволяет создавать центры рассеяния фононов, что значительно снижает теплопроводность и повышает эффективность материалов». 

Нас не интересуют исследования ради исследований, наша цель – создание новых продуктов на основе эффекта термоэлектрического преобразования энергии. Именно по этой причине мы обратились с заявкой на статус участника Фонда «Сколково» и проект был поддержан. Статус резидента открывает свободный доступ к людям, которые вдохновляют, критикуют, инвестируют. Так проектом заинтересовались крупные автопроизводители. 

«Недавно вернулся с крупнейшей в Европе конференции по термоэлектричеству, которая подтвердила перспективность применяемых нами подходов и используемых материалов, – делится впечатлениями основатель ООО «Метемп». – Конференция также подтвердила, что радикального прорыва пока не произошло, а это значит, что ставки в погоне за эффективным материалом возрастают. Мы в игре».

Полупроводниковые материалы для генерации создает ООО «ФЕМТОИНТЕХ». Они будут использовать для своей работы тепло автомобильных выхлопных газов, а также низкопотенциальное тепло промышленных тепловых выбросов.

«В настоящее время по линии Сколково мы разрабатываем термоэлектрические материалы повышенной эффективности, – рассказал представитель компании «ФЕМТОИНТЕХ» Анатолий Кузнецов. – Обычно коэффициент добротности термоэлектрических материалов находится на уровне 1,0÷1,2, при этом коэффициент полезного действия генерирующих устройств на основе этих материалов в однокаскадном исполнении равен 4-6 процентам. Мы планируем достичь таких результатов, чтобы КПД составил от 12 до 18%, что будет на порядок выше, чем показатель устройств на материалах, используемых сейчас. В настоящее время в этом же направлении работают американцы и японцы, наши разработки не уступают им или даже немного опережают их разработки».

«В отличие от используемых сейчас теллуросодержащих термоэлектрических материалов, в наших разработках используются материалы, не содержащие теллура, на основе олова, кремния и германия. Теллуросодержащие элементы достаточно ядовиты и довольно неустойчивы в атмосфере воздуха, поэтому они требуют специальных оболочек, отделяющих их от воздействия воздуха. Наши материалы имеют высокую химическую и термическую устойчивость, экологически безопасны и не требуют подобных оболочек. Так как не нужно изготавливать такие оболочки, конструкция устройств на их основе обходится значительно дешевле. В соответствии с этим заметно повышается эффективность создания изделий на основе наших материалов», – отмечает специалист.  

«Наш материал основан на супрамолекулярных соединениях – это композитные клатраты и клатрато-подобные соединения на основе олова, кремния и германия. Рабочие температуры материалов находятся в пределах 150-500 градусов Цельсия. Для повышения термоэлектрических характеристик материалов используются специальные нанодобавки, которые встраиваются в кристаллическую решетку материалов, существенно повышая электропроводность, и снижая теплопроводность, что крайне важно для повышения эффективности полупроводниковых термоэлектрических материалов. Состав и свойства этих материалов и подбор добавок и являются основой наших разработок. Сейчас уже получены показатели добротности на уровне 1,0÷1,2. Мы планируем достичь показателя добротности материала 1,6. Это выше, чем показатели аналогов».

По словам Кузнецова, основной областью применения разрабатываемых термоэлектрических материалов является генерирование электроэнергии с использованием выбросов низкопотенциального тепла, в том числе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также промышленных тепловых выбросов.

«Кроме этого, важной сферой применения термоэлектрогенераторов является оснащение автономным энергопитанием станций катодной защиты и пунктов телеметрии и управления газопроводами в удаленных и труднодоступных местах, где нет линий электропередач, и невозможно обеспечить регулярное обслуживание и ремонт генерирующих устройств.

Термоэлектрогенераторы необходимы для автономного энергоснабжения добывающих платформ на арктическом шельфе. Они представляют собой надежные и долговечные устройства, не требующие дополнительных расходных материалов и регулярного технического обслуживания и ремонта, – объясняет Анатолий Кузнецов. – В условияхсложной геополитической обстановки и возникающих военно-политических и экономических вызовов требуется применение войск быстрого реагирования и десантных подразделений в труднодоступных районах крайнего севера, высокогорья и других районах с экстремально-тяжелыми условиями пребывания, оснащенных источниками энергообеспечения, как индивидуального пользования, так и группового, являющимися при этом мобильными, компактными, малошумными и с большим ресурсом непрерывной работы, не требующими для работы дополнительных расходных материалов».

«Мы очень надеемся на сотрудничество со Сколково. В ближайшее время мы планируем  подавать в Фонд «Сколково» заявку на предоставления гранта для финансирования наших дальнейших исследований.

Нам также хотелось бы, чтобы на наши разработки обратило внимание оборонное ведомство, учитывая номенклатуру и эффективность тех изделий, которые могут быть изготовлены с применением разрабатываемых нами материалов», – подчеркнул Кузнецов.

«Термоэлектрические материалы и генераторы на их основе являются перспективной областью развития энергоэффективных технологий. Вместе с ростом коэффициента термоэлектрической добротности, ростом КПД и снижением удельной стоимости за кВт установленной мощности, термоэлектрические генераторы будут находить все новые области применения включая утилизацию низкопотенциального тепла, использование в автомобилестроении и, возможно, даже в солнечной энергетике как способ утилизации тепла от солнечных панелей, – комментирует руководитель направления «ВИЭ и новые материалы» Кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково» Юрий Сибирский. – Мы надеемся, что разработки наших резидентов будут способствовать технологическому прорыву в этой области и созданию новых рынков».

   

Источник: polit.ru

Термоэлектрический генератор своими руками: видео, фото, инструкция

Популярные схемы на lm358

Существуют различные устройства, собранные на LM358 N , выполняющие определенные функции. При этом это могут быть всевозможные усилители как УМЗЧ, так и в промежуточных цепях измерений различных сигналов, усилитель термопары LM358, сравнивающие схемы, аналого-цифровые преобразователи и прочее.

Неинвертирующий усилитель и источник опорного напряжения

Это самые популярные типы схем подключения, применяемые во многих устройствах для выполнения различных функций. В схеме неинвертирующего усилителя

выходное напряжения будет равно произведению входного на пропорциональный коэффициент усиления, сформированный отношением двух сопротивлений, включенных в инвертирующую цепь.

Схема источника опорного напряжения пользуется высокой популярностью благодаря своим высоким практическим характеристикам и стабильности работы в различных режимах. Схема отлично удерживает необходимый уровень выходного напряжения. Она получила применение для построения надежных и высококачественных источников питания, аналоговых преобразователей сигналов, в устройствах измерения различных физических величин.

Одной из самых качественных схем синусоидальных генераторов является устройство на мосте Вина

При корректном подборе компонентов генератор вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот с высокой стабильностью. Также микросхема LM 358 часто используется для реализации генератора прямоугольных импульсов различной скважности и длительности

При этом сигнал является стабильным и высококачественным.

Усилитель

Основным применением микросхемы LM358 являются усилители и различная усилительная аппаратура. Что обеспечивается за счет особенностей включения, выбора прочих компонентов. Такая схема применяется, например, для реализации усилителя термопары.

Усилитель термопары на LM358

Очень часто в жизни радиолюбителя требуется осуществлять контроль температуры каких-либо устройств. Например, на жале паяльника

. Обычным градусником это не сделаешь, тем более, когда необходимо изготовить автоматическую схему регулирования. Для этого можно использоваться ОУ LM 358. Эта микросхема имеется малый тепловой дрейф нуля, поэтому относится к высокоточным. Поэтому она активно используется многими разработчиками для изготовления паяльных станций, прочих в устройствах.

Схема позволяет измерять температуру в широком диапазоне от 0 до 1000 о С с достаточно высокой точностью до 0,02 о С. Термопара изготовлена из сплава на основе никеля: хромаля, алюмеля. Второй тип металла имеет более светлый цвет и меньше подвержен к намагничиванию, хромаль темнее, магнитится лучше. К особенностям схемы стоит отнести наличие кремниевого диода, который должен быть размещен как можно ближе к термопаре. Термоэлектрическая пара хромаль-алюмель при нагреве становится дополнительным источником ЭДС, что может внести существенные коррективы на основные измерения.

Простая схема регулятора тока

Схема включает кремниевый диод

. Напряжения перехода с него используется как источник опорного сигнала, поступающий через ограничивающий резистор на неинвертирующий вход микросхемы. Для регулировки тока стабилизации схемы использован дополнительный резистор, подключенный к отрицательному выводу источника питания, к неивертирующему входу МС.

Схема состоит из нескольких компонентов:

• Резистора, подпирающего ОУ минусовым выводом и сопротивлением 0,8 Ом.
• Резистивного делителя напряжения, состоящего из 3 сопротивлений с диодом, выступающего источником опорного напряжения.

Резистор номиналом 82 кОм подключен к минусу источника и положительному входу МС. Опорное напряжение формируется делителем, состоящим из резистора 2,4 кОм и диода в прямом включении. После чего ток ограничивается резистором 380 кОм. ОУ управляет биполярным транзистором , эмиттер которого подключен непосредственно к инвертирующему входу МС, образовав отрицательную глубокую связь. Резистор R 1 выступает измерительным шунтом. Опорное напряжение формируется при помощи делителя, состоящего из диода VD 1 и резистора R 4.

В представленной схеме при условии использования резистора R 2 сопротивлением 82 кОм ток стабилизации в нагрузке составляет 74мА при входном напряжении 5В. А при увеличении входного напряжения до 15В ток увеличивается до 81мА. Таким образом, при изменении напряжения в 3 раза ток изменился не более, чем на 10%.

Устройство конвекторной системы

Одним из популярных способов обустроить отопление частного дома электричеством можно считать применение конвекторов, приборов, использующих в своей работе воздушную конвекцию.

Устройство и принцип работы конвектора

В металлический корпус отопительного прибора встроены управляемые термостатом нагревательные элементы ТЭНы. Каждый из них представляет собой помещенный в керамическую оболочку проводник высокого сопротивления, герметично запаянный в алюминиевый или стальной корпус. Такая конструкция устройства позволяет увеличить площадь взаимодействия с воздухом и эффективно осуществлять его нагрев. Рабочая температура нагревательных элементов варьируется от 100 до 60С.

Конвекторы зависимы от подачи электричества, что заставляет их владельцев задуматься о наличии альтернативного варианта отопительной системы на случай аварии

После включения конвектора начинается разогрев ТЭНов. Согласно физическим законам, остывший воздух опускается вниз. Здесь он попадает сквозь нижнюю решетку внутрь конструкции и проходит через нагревательные элементы, постепенно разогреваясь и поднимаясь вверх. Там он постепенно остывает и снова опускается вниз. Процесс многократно повторяется, позволяя создавать комфортную температуру в помещении. При необходимости можно использовать вентиляторы, которые ускорят естественную конвекцию.

Конструктивные особенности конвекторов определяют их главные недостатки, среди которых неравномерный прогрев воздуха. Температура у самого пола остается ниже, чем под потолком, что, впрочем, свойственно и водяному отоплению. Еще один «минус» – циркулирующие потоки поднимают пыль, неизбежно присутствующую в каждом доме. Сегодня выпускаются модели, которые практически лишены этого недостатка.

Настенный или напольный вариант?

Осуществлять отопление можно при помощи разных моделей конвекторов. Существуют два основных типа приборов:

• Настенные конструкции. Отличаются высотой, которая составляет в среднем 45 см, и способом крепления. Они могут быть либо установлены прямо на пол, либо при помощи специального устройства закреплены на стену.
• Напольные. Узкие длинные приборы, которые устанавливаются обычно под низко расположенные окна, витражи и в районе плинтусов. Несмотря на меньшую, чем у настенных конвекторов мощность, времени для разогрева помещения им понадобится намного меньше.

Устройства обоих типов оборудуются термостатами, которые могут быть как встроенные, так и выносные. Так же выпускаются конструкции, не сжигающие кислород в комнате и не пересушивающие воздух.

Настенная модель конвектора крепится на стену при помощи специального крепежа

Напольные модели электрических конвекторов устанавливаются на пол, а не внутрь него, как их водяные собратья. Поэтому их можно установить уже в конце ремонта

Расчет необходимого числа конвекторов для обогрева

Число и мощность приборов, необходимых, чтобы обустроить отопление дачного дома электричеством, рассчитывают исходя из объемов помещения, в котором они будут установлены.

Сначала выбирается среднее значение мощности, необходимой для отопления 1 куб.м. Средние значения для помещений:

• с хорошей теплоизоляцией, соответствующей стандартам энергосбережения скандинавских стран – 20 Вт на куб. м;
• с утепленными перекрытиями, стенами и стеклопакетами на окнах – 30 Вт на куб. м;
• с недостаточной изоляцией – 40 Вт на куб. м;
• с плохой изоляцией – 50 Вт на куб. м.

Исходя из этих значений, определяется мощность, необходимая для обогрева помещения и выбирается нужное число приборов для обогрева

Очень важно правильно выполнить расчеты. Практика показывает, что даже электрическое отопление деревянного дома абсолютно безопасно при условии грамотного подбора оборудования и качественной его установки. Конвекторы – эффективный, но далеко не единственный вариант устройств для обогрева помещений, работающих от электричества

Разнообразные электрические системы отопления дома дают возможность выбрать наиболее подходящий вариант, который позволит обеспечить эффективный и безопасный обогрев жилья

Конвекторы – эффективный, но далеко не единственный вариант устройств для обогрева помещений, работающих от электричества. Разнообразные электрические системы отопления дома дают возможность выбрать наиболее подходящий вариант, который позволит обеспечить эффективный и безопасный обогрев жилья.

Как сделать термогенератор Пельтье своими руками

Итак мой термогенератор нагревается масляной (на обычном, самом дешевом, подсолнечном масле) горелкой.

Которая помещена вот в такой разборный корпус, состоящий из консервной банки, регулятора высоты горелки и самого элемента Пельтье.

Сама горелка тоже состоит из банки и угольного фитиля.

Изготовить такой фитиль можно по этой видеоинструкции.

Лично я делаю такие фитили из углей от костра, продвинутые жители больших городов могут просто купить древесный уголь в магазине. Подобная горелка и сама по себе хороша, можно использовать как источник освещения, вместо свечек. Масло на её работу уходит мало, особо не чадит, может гореть сутками.

Вот это элемент Пельтье, сверху на него помещен радиатор от охлаждения компьютерного процессора, с вентилятором.

Это регулятор уровня огня горелки. Я его изготовил от убитого CD-rom_а. Его можно изготовить из чего угодно, лишь бы фантазия работала.

Элемент Пельтье (в данном варианте два-три элемента, друг на друге, всё смазано термопастой) у меня зажат между охлаждающим радиатором и нагревающим радиатором.

Пространство вокруг элемента я заполнил резиной (от каблуков ненужной обуви) и склеил всё это автомобильным термогерметиком.

Вентилятор для охлаждения изготовил из 3–х вольтового двигателя от того же неисправного CD-rom_а и лопастей штатного вентилятора от компьютерного кулера. Двигатель и вентилятор состыковал при помощи китайского суперклея и дискодержателя от всё того же CD-rom_а. В результате получился вентилятор охлаждения, который начинает работать от полутора вольт и жрёт совсем небольшой ток.

Для радиатора нагревания взял радиатор от кулера старого процессора.

Напряжение, порядка 6-8 вольт, у меня выходит на преобразователь, где уменьшается до нужных для девайсов пяти вольт.

Про этот преобразователь я уже писал. http://tutankanara.livejournal.com/410005.html

Вот и сам генератор в сборе. Кат только (в пределах минуты-две) вырабатываемое напряжение достигает полутора вольт, начинает крутиться вентилятор охлаждения, и холодная сторона элемента начинает охлаждаться. В рабочий режим генерации термогенератор выходит через несколько минут. От него можно питать светодиодные гирлянды и заряжать электронные девайсы. Мой генератор даёт порядка 400 миллиампер тока при 5 вольтах напряжения. Сила тока зависит от применяемого элемента. Если будет возможность, поставлю элементы получше.

Также данное устройство, если снять генераторную часть, можно использовать в качестве обычной горелки, для кипячения воды. Обычно я заполняю наполовину банку и она закипает через 10-15 минут.   

Перспективы

В данное время продолжают ставить опыты, подбирая оптимальные термопары, позволяющие повысить коэффициент полезного действия.

Большая вероятность того, что скоро разработки усовершенствования доброкачественности термических элементов, обретут высший статус производства материала для повышения взаимодействия термопар, с применением высоких технологий:

• нанотехнологий;
• ям квантования и т.п.

Вполне возможен вариант изобретения совсем другого принципа, с применением нестандартных материалов.

Были попытки соединения микроскопических проводников из золота искусственно синтезированной молекулой. Этот опыт в дальнейшем вполне может добиться успеха.

Виды электрического отопления

Отопление при помощи электричества можно сделать несколькими способами. В первую очередь вам стоит определиться с типом системы, которую вы хотите реализовать. Будет это традиционное водяное отопление, воздушное или теплый пол. Все три системы могут применяться как единственный способ обогрева, так и комбинированный — любые две или даже все три. Чтобы определиться нужно представлять достоинства и недостатки каждой их них.

Электроотопление не обязательно должно быть однотипным

Водяное отопление с электрическим котлом

Начнем с достоинств. Самая стабильная система, которая за счет инерционности продолжает поддерживать температуру некоторое время после того, как котел перестал работать. Во время работы минимально сушит воздух, работает практически бесшумно. Высокая ремонтопригодность. Если не прятать трубы отопления в стены, они всегда доступны для ремонта и замены.

Водяное отопление с электрокотлом ничем не отличается

Недостатки таковы. Сложная система из труб и радиаторов требует больших затрат времени и денег на стадии монтажа. За счет инерционности невозможно быстро менять температуру — быстро нагреть помещение не получится. При останове системы в зимнее время она может разрушится — если вода замерзнет в трубах, их разорвет. Для серьезного ремонта необходим полный останов и слив теплоносителя.

Воздушное отопление на электрических обогревателях

Отопление этого типа быстро монтируется. Все что надо — купить обогреватели, повесить и включить в сеть. Воздух начинает нагреваться сразу после включения. При заморозке системы, она остается работоспособной — замерзать нечему. Элементы отопления между собой не связаны. Выход из строя одного никак не сказывается на работоспособности других. Его можно спокойно ремонтировать.

Повесить обогреватели — вот и все что нужно

Недостатки воздушного отопления такие. Первый — при отключении обогревателей температура быстро снижается. Чтобы обеспечить постоянную работу необходима система резервного электропитания. Второй — из-за непосредственного контакта с нагревательными элементами воздух пересыхает, необходимы меры/приборы для увлажнения воздуха. Третий — многие воздушные обогреватели имеют встроенные вентиляторы, что повышает эффективность, но они издают шум.

Теплый пол на электрических элементах

Электрический теплый пол — самая молодая система отопления. Из всех описанных выше она дает наиболее комфортные условия — самая высокая температура получается на уровне ног, а в районе головы — она средняя. Также эта система инертна — пока нагреется/остынет массив пола проходит значительный промежуток времени. По этой причине после выключения температура держится еще некоторое время. Сложность монтажа зависит от типа электрического теплого пола. Есть системы, которые требуют стяжки (электрические греющие кабели и маты), есть те, которые монтируются на ровное жесткое основание без мокрых работ (пленочный теплый пол) и могут использоваться для подогрева ламината, линолеума и т.д.

Теплый пол есть разных видов. Это комфортный способ отопления частного дома электричеством

Электрическое отопление частного дома при помощи теплого пола имеет и недостатки. Первый — средняя или низкая ремонтопригодность. Прямого доступа к системе отопления нет. Приходится разбирать/разбивать пол. Второй — затраты времени и сил на устройство электрического подогрева теплого пола низкими не назовешь. Системы, требующие стяжки монтируются около месяца (пока «зреет» стяжка пользоваться нельзя), теплый пол для «сухого» монтажа можно собрать за день, но стоимость обогревательных элементов довольно высокая.

Какой вид отопления электричеством лучший

Как видите, сказать какой вид электроотопления в доме лучший, не получится. Идеального нет. Исходить надо из условий эксплуатации:

Сказанное выше основано на выборе большинства. Это не значит, что нельзя в доме с постоянным проживанием делать воздушное электрическое отопление частного дома. Можно, и делают. Просто надо четко представлять достоинства и недостатки.

Роторный вихревой теплогенератор

В таком оборудовании роль статора отводится обычному центробежному насосу. Полый внутри и цилиндрический по форме корпус, может быть представлен отрезком трубы с наличием стандартных двухсторонних фланцевых заглушек. Внутри конструкции располагается ротор, являющийся главным конструктивным элементом.

Вся поверхность ротора представлена определенным количеством просверленных глухих отверстий, размеры которых зависят от показателей мощности устройства.

Вихревой генератор

Промежуток от корпуса до вращающейся части должен быть рассчитан индивидуально, но, как правило, размеры такого пространства варьируются в пределах двух миллиметров.

Важно отметить, что производительность роторного вихревого устройства примерно на 30% превышает такие показатели статического теплового генератора, но этот тип оборудования нуждается в контроле состояния всех элементов, а также отличается достаточно шумной работой.

Достоинства и недостатки

Независимо от того, куплен он или изготовлен своими руками, термоэлектрогенератор имеет ряд достоинств. Так, к наиболее весомым из них относятся:

1. Малогабаритные размеры.
2. Возможность работы как нагревательных, так и в охладительных приборах.
3. При смене полярности наблюдается обратимость процесса.
4. Отсутствие подвижных элементов, которые изнашиваются достаточно быстро.

https://youtube.com/watch?v=yeLhUVp2K2s

Несмотря на имеющиеся существенные преимущества, такое устройство имеет некоторые недостатки:

1. Незначительный КПД (всего 2−3%).
2. Необходимость создания источника, отвечающего за температурный перепад.
3. Существенное потребление энергии.
4. Большая себестоимость.

Делаем бесплатное электричество — простой самодельный генератор

Многих электриков интересует один очень популярный вопрос – как автономно и бесплатно получить небольшое количество электроэнергии. Очень часто, к примеру, при выезде на природу или походе катастрофически не хватает розетки для подзарядки телефона либо включения светильника. В этом случае Вам поможет самодельный термоэлектрический модуль, собранный на базе элемента Пельтье. С помощью такого устройства можно генерировать ток, напряжением до 5 Вольт, чего вполне хватит для зарядки девайса и подключения лампы в экстренной ситуации. Далее мы расскажем, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, предоставив простой мастер-класс в картинках и с видео примерами!

Что такое термоэлектрический генератор?

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

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

Схема работы ТЭС

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

Что это такое?

Для объяснения принципа работы термоэлектрического генератора, нужно взять разнородные проводники и замкнуть их в цепь. Точки, в которых проводники соединяются, называют спаями. При нагреве одного из спаев цепи энергия свободных электронов на нем возрастает, так как имеет зависимость от температуры.

На нагретом участке электроны имеют более высокую энергию и начинают перемещаться в холодную область, где электроны обладают меньшей энергией, таким образом в цепи возникает ЭДС.

Величина разности потенциалов в такой цепи зависит от температуры, электропроводности и коэффициента термоЭДС ,который также называется коэффициентом Зеебека.

Для разных материалов его значение различно и измеряется относительно коэффициента платины, которой равняется нулю. К примеру, сурьма, железо, кадмий имеют положительный коэффициент, а висмут, никель, кобальт — отрицательный.

Изготовление своими руками

Схематично устройство самодельной термоэлектростанции можно представить так:

1. Элемент Пельтье положим на дно глубокой посудины – миски или кружки.
2. Далее в эту посудину вставим еще одну: если используются миски, то понадобится такая же; если ваш выбор пал на кружки, то вторая должна быть чуть меньше первой.
3. К выведенным от элемента Пельтье проводам присоединим преобразователь напряжения.
4. Внутреннюю посудину заполним снегом или холодной водой, после чего всю конструкцию поставим на огонь.

Через какое-то время снег растает, превратится в воду и закипит. Производительность генератора при этом понизится, но зато турист получит возможность выпить горячего чайку. После чаепития можно будет заправить генератор новой порцией снега.

Чем больше термоэлементов (их еще называют ветвями) будет у приобретенного вами элемента Пельтье, тем лучше. Можно применить прибор марки TEC1-127120-50 – их у него 127. Данный элемент рассчитан на токи до 12А.

Электричество от двух стержней

Данный способ основан совсем на другой теории и никакого отношения к магнитному или электрическому полю Земли не имеет. А теория эта – о взаимодействии гальванических пар в солевом растворе. Если взять два стержня из разных металлов, погрузить их в такой раствор (электролит), то на концах появится разница потенциалов. Ее величина зависит от многих факторов: состава, насыщенности и температуры электролита, размеров электродов, глубины погружения и так далее.

Такое получение электричества возможно и через землю. Берем 2 стержня из разных металлов, образующих так называемую гальваническую пару: алюминиевый и медный. Погружаем их в землю на глубину ориентировочно полметра, расстояние между электродами соблюдаем небольшое, хватит 20—30 см. Участок земли между ними обильно поливаем солевым раствором и спустя 5—10 мин производим измерение электронным вольтметром. Показания прибора могут быть разными, но в лучшем случае вы получите 3 В.

Примечание. Показания вольтметра зависят от влажности почвы, ее природного солесодержания, размеров стержней и глубины их погружения.

В действительности все просто, получившееся бесплатное электричество – это результат взаимодействия гальванической пары, при котором влажная земля служила электролитом, принцип похож на работу солевой батарейки. Реальный эксперимент о разнице потенциалов на электродах, забитых в землю, можно посмотреть на :

Принцип работы

В девятнадцатом веке одним ученым обнаружилось возникновение электродвижущей силы в замкнутой цепи, при изменениях температуры в среде контактировании сурьмы с проводником.

Нагревая один из контактов, возникает магнитное поле, что вызывает ЭДС. При нагревании второго контакта, поток ЭДС противоположно изменяется.

Спустя двенадцать 12 лет другой физик выявил противоположный эффект. Пропустив ток по цепи термопары, в контактах создается перепады температур.

В принципе эти оба эффекта разные стороны одного и того же явления, дающего возможность непосредственно получить электричество из тепла.

Перспективы

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

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

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

Молекула вместо термопары

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

Проблемы традиционной электроэнергетики

Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭП, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует плюсы и минусы технологий генерации на природных энергетических ресурсах, рассматривая такие критические факторы, как строительство и затраты на электроэнергию, на землю, требования к воде, выбросы CO₂, отходы, доступность и гибкость.

Результаты EPRI подчеркивают, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии нет единого подхода к решению всех проблем, но при этом все же больше преимуществ у природного газа, который является доступным для строительства, имеет низкую себестоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.

Технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветровые турбины, солнечные фотоэлектрические модули производят эмиссионное электричество. Однако для них, как правило, требуется много земли, результаты их эффективности являются неустойчивыми и зависят от погоды. Уголь, основной источник тепла, является самым проблемным. Он лидирует по выбросам CO₂, требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.

Новые технологии направлены на снижение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины, объединенные с резервным аккумулятором, обеспечивают резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены за счет создания доступного крупномасштабного хранилища энергии. Таким образом, сегодня нет ни одного безупречного способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономически эффективную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.

Историческая справка

Термоэлектрические эффекты или термоэлектричество, своим открытием обязано нескольким ученым. Впервые явление открыл немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, в 1821 году. Оно получило название «Эффект Зеебека».

Обратное свойство – нагревание или охлаждение разнородных проводников воздействием электрического тока, в 1834 году изучил француз Жан Пельтье, его именем назван и сам эффект и термоэлектрический преобразователь, получивший название элемент Пельтье. Свой вклад в исследования внесли, также русский физик Эмилий Ленц в 1838 г. и британец Уильям Томпсон в 1851 г.

Причина, по которой эти технологии не получили широкого распространения, заключается в низком КПД, при использовании чистых металлических пар — это сотые доли процента. Немногим более эффективными — 1,5-2,0% оказались термоэлементы из полупроводников, которые начали использоваться в середине XX века.

Была отсылка к теме термоэлектрических генераторов и в советской фантастике — в 1930-х годах Роман Адамов написал научно-фантастический роман «Тайна двух океанов», о похождениях подводной лодки «Пионер», источником энергии в которой служила термопара.

Где разместить инфракрасный обогреватель

Важно определиться, где лучше разместить обогреватель. Вариантов немного: на полу или потолке, а также на стене

Для разных видов помещений, исходных задач выбирается наиболее оптимальный, у каждого есть свои особенности, плюсы и минусы.

С потолка тепловыми лучами хорошо «прорезается» все пространство. Минус в верхнем размещении — сложно подобрать эстетичный вариант, нельзя сочетать с натяжными потолками, да и сама высота помещения должна быть не менее 2,5 метра.

Напольный способ прост в исполнении, эффективен, но пол испытывает постоянные механические нагрузки, и есть вероятность повреждения системы обогрева. К тому же, ее придется прятать под ковер, напольное покрытие, а это снижает КПД излучения.

Укрепить обогреватель ИК типа можно и на стене. Если это кажется неэстетичным, всегда есть возможность превратить его в элемент дизайна, преобразовав в панно или иную интерьерную фишку.

Монтаж теплого пола как разновидности пленочного обогрева

Теплый пол — это вариант пленочного инфракрасного обогрева. Такой обогреватель представляет собой комплекс из тонких генераторов-полосок, которые последовательно соединяются, образуя полосу нужной длины. К блоку управления можно подключать несколько таких греющих элементов, а сам блок включается в электросеть.

Есть варианты с размещением подобных пленок и на потолке, и на стенах, но наиболее часто используется напольный метод монтажа, хотя бы из-за его простоты. Сама балластная нагрузка от массы напольного покрытия становится способом фиксации, тогда как при других вариантах нужны специальные крепежные приспособления.

Чтобы теплоотдача была максимальной, необходимо выбрать напольное покрытие с высокой теплопроводностью. Если «укутать» пол ковром, теплоотдача сильно снизится. Дерево лучше пропустит тепловые волны, но максимально высокий КПД от напольного ИК обогрева достигается при использовании кафельной плитки.

Теплый ИК пол

Преобразование тепла в электричество без движущихся частей — ANS / Nuclear Newswire

Поскольку изотоп с периодом полураспада 87 лет все еще будет производить около 90 процентов своего первоначального тепла после распада в течение 14 лет, эти батареи были разработаны, чтобы быть в состоянии снабжать пациентов с сердцем до тех пор, пока они, как ожидается, выживут. Им не требовался внешний источник питания с сопутствующим риском заражения, и им не требовались дополнительные операции по замене химических батарей.

Этот музейный опыт разжег мое любопытство и побудил меня узнать больше о технологии, позволяющей напрямую преобразовывать тепло в энергию постоянного тока. Я обнаружил, что плутоний-238 не единственный возможный изотоп. Существует целый список возможностей в зависимости от конкретных применений и показателей эффективности.

Я узнал, что батареи кардиостимуляторов были лишь одним из нескольких приложений, в которых небольшое количество надежной и долговечной энергии было достаточно ценным, чтобы обеспечить положительную экономическую выгоду.Другие приложения включают дистанционное питание маяков, навигационные буи, спутники, зонды дальнего космоса и средства связи в удаленных местах.

Я также узнал, что аккумуляторы имеют значительный опыт эксплуатации, который показал, что они надежны и требуют минимального обслуживания.

По ряду причин, в том числе из-за продолжающейся кампании против всего ядерного, технология RTG практически неизвестна, и почти все попытки использовать ядерные батареи были прекращены.Практически единственный раз, когда эта тема привлекает к себе большое внимание, это когда руководители высококлассных космических программ, таких как «Кассини» или «Кьюриосити», сообщают публике, что их миссия была осуществлена с помощью одного или нескольких РИТЭГов.

В приведенном ниже видео подробно рассказывается о конструкции и испытаниях 110-ваттного РИТЭГа, который непрерывно заряжает химические батареи, обеспечивающие более концентрированные выбросы энергии для марсохода Curiosity.

Есть одно потенциальное применение технологии RTG, которое продолжает меня интриговать, особенно когда я узнаю больше о проблемах, с которыми столкнулись операторы на атомной электростанции Фукусима-дайити, когда они постепенно истощили все свои доступные источники питания.

Хотя РИТЭГ не являются огромным источником концентрированной энергии, они обеспечивают постоянный поток тока, который может перезаряжать химические аккумуляторные батареи. Ритэг мощностью 100 Вт, например, обеспечивает 2,4 киловатт-часа в день, но нет необходимости ограничивать инвентарь только одной единицей. Также нет необходимости конкурировать с космическими применениями плутония-238; экранирующий вес не является важным фактором для крупной ядерной энергетической установки. Наиболее широко доступным изотопом является стронций-90, изотоп, который коммерческие ядерные реакторы производят в больших количествах.

Конечно, этот изотоп недоступен в Соединенных Штатах, поскольку мы не перерабатываем отработавшее ядерное топливо, но я полагаю, что его можно купить у французов, японцев или русских. РИТЭГи

или их собратья с двигателем Стирлинга, использующие тепло для питания, работают по совершенно другому принципу, чем дизельный двигатель, и не нуждаются в какой-либо внешней поддержке, чтобы продолжать выполнять свою работу.

Несмотря на то, что им потребуется лишь нечастое внимание, существует множество людей, прошедших подготовку в ядерной области, чтобы гарантировать, что РИТЭГи с аварийным питанием не столкнутся с некоторыми из тех же трудностей, из-за которых эта технология получила дурную славу в отдаленных районах бывшего Советского Союза. .

Я уверен, что есть препятствия, которые нужно преодолеть, и некоторые из них могут даже быть стопорами шоу, но только представьте, как приятно было бы знать, что устойчивая полная потеря электроэнергии практически невозможна на объекте с несколькими РИТЭГами установлены в энергосистеме.

___________________________

Адамс

Род Адамс — сторонник атомной энергетики с большим опытом эксплуатации малых атомных электростанций. Адамс — бывший офицер-инженер USS Von Steuben.Он является ведущим и продюсером подкаста The Atomic Show. Адамс является членом ANS с 2005 года. Он пишет о ядерных технологиях в своем собственном блоге Atomic Insights.

преобразование отходящего тепла в электричество даже при небольшой разнице температур

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

Во многих технических процессах используется только часть подводимой энергии. Различное количество остатка покидает систему в виде остаточного тепла, которое, в свою очередь, может быть использовано для производства тепла или электроэнергии, если оно не остается неиспользованным. Чем выше температура этого отработанного тепла, тем проще и экономичнее будет его утилизация.Но есть и способ использования низкотемпературного сбросного тепла, а именно с помощью термоэлектрических генераторов, преобразующих тепло непосредственно в электричество. Однако пока это создает проблему: термоэлектрические материалы дороги и иногда токсичны. Термоэлектрические генераторы также требуют больших перепадов температур для достижения относительно небольшого эффекта.

Термомагнитный вместо термоэлектрического

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

Дополнительные статьи по использованию сбросного тепла

Ученым из Института технологии микроструктуры (IMT) при KIT и Университета Тохоку в Японии удалось значительно увеличить электрическую мощность термомагнитных генераторов по сравнению с их занимаемой площадью. «Благодаря результатам нашей работы термомагнитные генераторы впервые могут конкурировать с известными термоэлектрическими генераторами», — говорит профессор Манфред Коль, руководитель исследовательской группы интеллектуальных материалов и устройств в IMT KIT. «Таким образом, мы значительно приблизились к цели преобразования отработанного тепла в электричество при небольших перепадах температур». Работа команды является темой обложки текущего номера журнала энергетических исследований Joule.

Видение: утилизация отработанного тепла при температуре, близкой к комнатной

В качестве тонких пленок в термомагнитных генераторах магнитные интерметаллические соединения, известные как сплавы Гейслера, обеспечивают сильное зависящее от температуры изменение намагниченности и быструю теплопередачу.Исследователи объяснили, что это основа новой концепции резонансного самовозбуждения. По их словам, даже при небольшой разнице температур устройства могут возбуждаться до резонансных колебаний, которые можно эффективно преобразовывать в электричество.

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

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

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

Ученые нашли лучший способ превратить тепло в электричество, изменив стандартное правило

Инженеры обычно считают тепло «отходами энергии», поскольку его трудно эффективно превратить во что-то полезное. Однако новый класс термоэлектрических материалов может изменить это после того, как исследователи решили попробовать прямо противоположный обычному подход.Статья в Science Advances объясняет почему, ускоряя поиск еще лучших версий.

Как следует из названия, термоэлектрические материалы превращают тепло в электричество, минуя стадию кипячения воды, используемую в большинстве случаев массового производства электроэнергии. Однако из-за стоимости и неэффективности термоэлектрические генераторы ограничены нишевыми приложениями, такими как питание космических кораблей, таких как марсоход Perseverance, где легкое и надежное производство энергии имеет большее значение, чем цена.

Термоэлектрические материалы слишком дороги и загрязняют окружающую среду для более широкого использования, но новые версии, которые заменяют более тяжелые элементы магнием, могут изменить это, открывая двери для еще лучших вариантов, которые могут найти широкое применение.

Термоэлектрические материалы работают, создавая ток между горячей и холодной сторонами. К сожалению, если материал проводит тепло примерно так же, как он проводит электричество, температуры выравниваются, перекрывая ток. Таким образом, материалы должны быть теплоизолирующими, что чаще ассоциируется с тяжелыми металлами, чем с легкими, поэтому ученые, работающие в этой области, сосредоточились на более крупных атомах.

Когда другие ученые попробовали на всякий случай материалы на основе магния, они были удивлены, обнаружив, что они работают на удивление хорошо.

Д-р Оливье Делэр из Университета Дьюка подтвердил, что эти материалы Mg ₃ Sb ₂ и Mg ₃ Bi _2, работают в три раза лучше, чем кальций и иттербий, элементы с большим количеством протонов и схожими химическими свойствами, которые также может объяснить неожиданное явление.

Магний также имеет довольно значительное преимущество, заключающееся в том, что он дешев, распространен и относительно не загрязняет окружающую среду. Хотя он разделяет эти черты с кальцием, это не относится к другим испытанным материалам.

«Традиционные термоэлектрические материалы основаны на тяжелых элементах, таких как свинец, висмут и теллур, — элементах, которые не очень безопасны для окружающей среды, и они также не очень распространены», — сказал Делэр в своем заявлении. «Эти магниевые материалы, однако, имеют удивительно низкую термоэлектрическую проводимость, несмотря на низкую массовую плотность». Более того, хотя высокотемпературные термоэлектрические эффекты распространены, Mg ₃ Sb ₂ и Mg ₃ Bi ₂ хорошо работают при температуре, близкой к комнатной.

Тем не менее, Делэр не считает, что именно эти материалы станут будущим термоэлектрической генерации. Сурьма и висмут не особенно распространены, а производство сурьмы довольно загрязняет окружающую среду. Однако так же, как большинство фармацевтических препаратов являются модификациями многообещающей, но несовершенной молекулы, Делэр надеется, что два исследованных до сих пор материала на основе магния, которые принадлежат к классу, известному как Zintls, откроют дверь для более совершенных версий.

«В химических исследованиях изучение возможностей новых материалов часто включает замену одного элемента другим, просто чтобы посмотреть, что произойдет», — сказал первый автор Цзинсюань Дин.«Обычно мы заменяем их химически схожими элементами в периодической таблице, и одно из больших преимуществ использования Zintls заключается в том, что мы можем экспериментировать с множеством различных элементов и различных комбинаций».

Хотя это можно сделать методом проб и ошибок, Динг и Дэлэр надеются сократить этот процесс, выяснив, почему магний работает так хорошо. Они узнали, что связь магния препятствует передаче тепла. В его присутствии тепловые волны, переносящие колебания с теплой стороны материала на более холодную, мешают друг другу, а не распространяются чисто.

---

  На этой неделе в IFLScience

Еженедельно получайте самые важные научные новости на свой почтовый ящик!

---

Дешевый материал может помочь преобразовать отработанное тепло в электричество

Кредит: Pixabay.

Дешевый и легкодоступный поликристаллический материал может, наконец, открыть двери для коммерческих термоэлектрических генераторов, которые преобразуют отработанное тепло в электричество.Тем не менее, прежде чем вы сможете запустить двигатель и выхлопную трубу своего автомобиля, необходимо решить другие проблемы.

Люди производят много отходов, и энергия не является исключением

Когда электростанция сжигает уголь или автомобиль с двигателем внутреннего сгорания зажигает бензин, большая часть химической энергии топлива не преобразуется в полезную электроэнергию или работу — она превращается в тепло. Типичная американская электростанция, например, преобразует только 30% энергии угля в чистую электроэнергию. И, в каком-то смысле, ваша машина — это, прежде всего, печь на колесах.

Неудивительно, что ученые стремились свести к минимуму эту огромную потерю тепла в меру своих возможностей. Часть этой энергии, которая в противном случае тратилась бы впустую, может быть использована, например, для отопления в холодное время года. В качестве альтернативы отработанное тепло можно использовать для совместного производства электроэнергии на электростанции путем нагрева воды для производства пара, который вращает турбины. Но в идеале вы хотели бы напрямую преобразовывать тепло (нескоординированное движение частиц в материале) в более универсальное электричество (управляемая волна движения электронов).Здесь на помощь приходит термоэлектричество.

Термоэлектрический эффект возникает, когда два разных полупроводника зажаты между металлическими пластинами и одна сторона горячая, а другая холодная. Термоэлектрический генератор может собирать энергию из этой разницы температур и превращать ее в электричество.

Космический корабль «Вояджер», который, как полагают, вышел за пределы Солнечной системы после посещения самых отдаленных планет в 1970-х годах, по сей день питается от термоэлектрических устройств, которые вырабатывают электричество из тепла, выделяемого плутониевым ядерным реактором.Та же энергия питает марсоходы Curiosity и Perseverance, которыми управляет НАСА на Марсе.

Этот процесс работает и в обратном порядке. При подаче электричества один полупроводник нагревается, а другой остается холодным. Таким образом, холодная сторона может функционировать как охладитель или холодильник.

Проблема в том, что эти термоэлектрические генераторы либо чрезвычайно неэффективны, либо дороги, поэтому они используются в очень нишевых приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность. Кроме того, используемые материалы, как правило, содержат токсичные элементы.

Когда два материала с разной температурой соприкасаются или находятся достаточно близко друг к другу, в конечном итоге они достигают одинаковой температуры. Когда это происходит, термоэлектрический эффект прекращается. Разработка полупроводников с плохой теплопроводностью, но проводящих электричество, — нетривиальная инженерная задача. Это делает недавние разработки физиков из Сеульского национального университета и Северо-Западного университета еще более захватывающими.

Все началось в 2016 году, когда группа исследователей из Северо-Западного университета под руководством материаловеда Меркури Канацидиса разработала термоэлектрический генератор с использованием порошков олова и селена, двух легкодоступных и дешевых материалов.Порошки были переработаны в гранулы поликристаллического селенида олова, которые можно спрессовать в тонкие слитки длиной не более 3 сантиметров, что делает их идеальными для устройств.

Канатзидис ожидал, что границы между зернами замедлят теплообмен. Однако, когда исследователи проверили материал, они обнаружили, что теплопроводность чрезвычайно высока, что делает термоэлектрический генератор очень плохим.

В конце концов они обнаружили проблему: ультратонкая пленка оксида олова образовалась вокруг поликристаллических зерен еще до того, как они были спрессованы в слитки.Эта пленка позволяет очень быстро передавать тепло от зерна к зерну.

В своем новом исследовании, опубликованном на этой неделе в Nature Materials , Канацидис и его коллеги представили новый метод, который удаляет любой кислород из прекурсоров олова и селена, оставляя после себя только чистый поликристаллический селенид олова.

Метод оказался успешным, повысив термоэлектрическую эффективность поликристаллического материала почти в три раза. Однако полностью работающее термоэлектрическое устройство потребует дополнительных инноваций.

Материал из селенида олова проводит только положительные заряды. Чтобы замкнуть цепь, вам также нужен антагонист n-типа, который проводит отрицательные заряды. К счастью, аналог монокристаллического селенида олова n-типа был недавно продемонстрирован китайскими учеными из Университета Бэйхан.

Если они совпадут, то коммерческие применения для широкомасштабного внедрения термоэлектрических генераторов могут быть не за горами.

Преобразование тепла в электричество с помощью карандаша и бумаги — ScienceDaily

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

Крошечный эффект

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

Карандаш HB и сополимерный лак

Группа под руководством профессора Норберта Никеля из HZB теперь показала, что эффект может быть получен гораздо проще: используя обычный карандаш класса HB, они закрасили карандашом небольшой участок на обычной бумаге для фотокопий. В качестве второго материала на поверхность нанесли прозрачную проводящую сополимерную краску (PEDOT: PSS).

Выяснилось, что следы карандаша на бумаге обеспечивают напряжение, сравнимое с напряжением других гораздо более дорогих нанокомпозитов, которые в настоящее время используются для гибких термоэлектрических элементов. И это напряжение можно было бы увеличить в десять раз, добавив немного селенида индия к графиту из карандаша.

Объяснение плохой передачи тепла

Исследователи исследовали графитовые и сополимерные покрывающие пленки с помощью сканирующего электронного микроскопа и спектроскопических методов (комбинационное рассеяние) в HZB.«Результаты нас тоже очень удивили, — объясняет Никель. «Но теперь мы нашли объяснение тому, почему это работает так хорошо: осадок от карандаша, оставленный на бумаге, образует поверхность, характеризующуюся неупорядоченными графитовыми чешуйками, небольшим количеством графена и глиной. Хотя это лишь немного снижает электропроводность, тепло передается значительно». менее эффективно».

Outlook: гибкие компоненты, напечатанные прямо на бумаге

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

Источник истории:

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

Может ли тепло человеческого тела обеспечить мир энергией?

Если объединить производство энергии всех людей, как это соотносится с глобальным спросом на энергию? Сколько электроэнергии можно было бы произвести, если бы каждый живой человек носил браслет, собирающий тепловую энергию? Может ли это привести в действие все наши электроприборы?

В фильме Матрица разумные машины используют людей в качестве источника энергии, собирая их тепловую энергию и преобразовывая ее в электричество. В фильме собранной энергии достаточно, чтобы управлять постапокалиптическим машинным миром и гигантской симуляцией, которая заставляет человечество поверить, что оно все еще живет в конце 20 ^го века. Но возможно ли обеспечить электроэнергией всю планету, просто собирая тепло тела?

Человеческое тело производит больше энергии, чем вы думаете

Чтобы разобраться в этом вопросе, нам нужно начать с некоторых чисел и преобразования единиц измерения. Человек получает энергию за счет потребления пищи.Каждая килокалория (ккал), которую мы потребляем, соответствует 4,184 килоджоуля (4×10 ³ Дж) энергии. Предполагая, что среднее потребление калорий составляет 2000 на человека и 7 миллиардов жителей планеты Земля, мы перерабатываем ошеломляющие 58,58 петаджоулей (59×10 ¹⁵ Дж) энергии каждый день и 21,38 эксаджоулей (21×10 ¹⁸ Дж) в год. Тем не менее, эти цифры являются лишь частью расчетного глобального потребления первичной энергии в размере ок. 500-1000 эксаджоулей в год. Это означает, что даже если бы мы могли собирать 100% производимой энергии, мы не смогли бы удовлетворить глобальный спрос.

Кроме того, преобразование энергии всегда сопряжено с потерями. Для человеческого организма эти потери в основном тепловые, в виде тепла тела. В зависимости от деятельности и окружающей среды тело рассеивает от 290 до 3800 килоджоулей тепловой энергии в час, что соответствует мощности 80-1050 Вт. Для семи миллиардов человек это составляет 3,33 тераватта (3,33×10 90 197 12 90 198 Вт), что сопоставимо с потребностью в электроэнергии только в США. Но если мы не хотим отапливать свои квартиры и управлять машинами своим телом, нам нужно преобразовать его дальше, в более удобную форму энергии.И здесь в игру вступает термоэлектричество.

Термоэлектрические генераторы преобразуют тепло тела в электричество. Предположим, что совокупная тепловая энергия каждого человека на планете может быть идеально преобразована в электричество. Как вид, мы будем производить в общей сложности около 1,33 тераватта непрерывной электроэнергии. Это соответствует 32 ТВтч в день, или примерно десятой части мировой потребности в энергии.

Наша современная технология не способна преобразовывать тепловую энергию с очень высокой эффективностью.Но Митра делает первый шаг, чтобы задействовать огромный потенциал сбора тепловой энергии тела. Уже сегодня это дает большие возможности для носимой электроники с низким энергопотреблением. И если разумные машины планируют захватить мир в будущем, им придется найти другой источник энергии, чем человеческое тело.

Новый материал предлагает экологически безопасное решение для преобразования отработанного тепла в энергию

Perseverance, марсоход НАСА 2020 года, питается от чего-то, что очень желательно здесь, на Земле: термоэлектрического устройства, которое преобразует тепло в полезное электричество.

На Марсе источником тепла является радиоактивный распад плутония, а эффективность преобразования устройства составляет 4-5%. Этого достаточно для питания Perseverance и его операций, но недостаточно для приложений на Земле.

Группа ученых из Северо-Западного университета и Сеульского национального университета в Корее продемонстрировала высокоэффективный термоэлектрический материал в практической форме, который можно использовать при разработке устройств. Этот материал — очищенный селенид олова в поликристаллической форме — превосходит монокристаллическую форму в преобразовании тепла в электричество, что делает его самой эффективной термоэлектрической системой в истории.Исследователи смогли добиться высокой степени конверсии после выявления и устранения проблемы окисления, которая снижала производительность в более ранних исследованиях.

Поликристаллический селенид олова может быть разработан для использования в твердотельных термоэлектрических устройствах в различных отраслях промышленности с потенциально огромной экономией энергии. Ключевой целью применения является улавливание отходящего тепла промышленных предприятий, таких как электростанции, автомобильная промышленность, стекольные и кирпичные заводы, и преобразование его в электричество. Более 65% энергии, производимой в мире из ископаемого топлива, теряется в виде отработанного тепла.

«Термоэлектрические устройства используются, но только в нишевых приложениях, таких как марсоход», — сказал Меркури Канатзидис из Northwestern, химик, специализирующийся на разработке новых материалов. «Эти устройства не прижились, как солнечные элементы, и есть серьезные проблемы с их созданием. Мы сосредоточены на разработке материала, который был бы недорогим и обладал бы высокими эксплуатационными характеристиками, что позволило бы термоэлектрическим устройствам найти более широкое применение.

Канацидис, профессор химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга, является соавтором исследования. У него совместная работа с Аргоннской национальной лабораторией.

Подробная информация о термоэлектрическом материале и его рекордно высоких характеристиках была опубликована 2 августа в журнале Nature Materials.

Ин Чунг из Сеульского национального университета является другим соавтором статьи. Винаяк Дравид, профессор материаловедения и инженерии Авраама Харриса в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе, является одним из старших авторов исследования.Дравид – давний сотрудник Канацидиса.

Термоэлектрические устройства уже хорошо определены, говорит Канатзидис, но что заставляет их работать хорошо или нет, так это термоэлектрический материал внутри. Одна сторона устройства горячая, а другая холодная. Термоэлектрический материал находится посередине. Тепло проходит через материал, и часть тепла преобразуется в электричество, которое выходит из устройства по проводам.

Материал должен иметь чрезвычайно низкую теплопроводность, сохраняя при этом хорошую электропроводность, чтобы эффективно преобразовывать отработанное тепло.А поскольку источник тепла может достигать 400-500 градусов Цельсия, материал должен быть стабильным при очень высоких температурах. Эти и другие проблемы делают термоэлектрические устройства более сложными в производстве, чем солнечные элементы.

«Происходило что-то дьявольское»

В 2014 году Канацидис и его команда сообщили об открытии удивительного материала, который лучше всех в мире преобразует отработанное тепло в полезное электричество: кристаллическая форма химического соединения селенида олова.Хотя это важное открытие, монокристаллическая форма непрактична для массового производства из-за ее хрупкости и склонности к отслаиванию.

Селенид олова в поликристаллической форме, которая является более прочной и может подвергаться резке и формованию для различных применений, поэтому исследователи обратились к изучению материала в этой форме. К неприятному удивлению, они обнаружили, что теплопроводность материала была высокой, а не желаемо низкой, как у монокристаллической формы.

«Мы поняли, что происходит что-то дьявольское, — сказал Канатзидис.«Предполагалось, что селенид олова в поликристаллической форме не будет обладать высокой теплопроводностью, но она оказалась. У нас была проблема».

При ближайшем рассмотрении исследователи обнаружили на материале корку окисленного олова. Тепло проходило через проводящую кожу, увеличивая теплопроводность, что нежелательно в термоэлектрическом устройстве.

Решение найдено, открывая двери

Узнав, что окисление происходит как от самого процесса, так и от исходных материалов, корейская команда нашла способ удалить кислород.Затем исследователи смогли производить гранулы селенида олова без кислорода, которые они затем протестировали.

Измеренная истинная теплопроводность поликристаллической формы оказалась ниже ожидаемой. Его характеристики как термоэлектрического устройства, преобразующего тепло в электричество, превзошли характеристики монокристаллической формы, что сделало его самым эффективным за всю историю наблюдений.

Эффективность преобразования отработанного тепла в термоэлектрических элементах отражается его «показателем качества», числом, называемым ZT.Чем выше число, тем лучше коэффициент конверсии. Ранее было обнаружено, что ZT монокристаллического селенида олова составляет приблизительно от 2,2 до 2,6 при 913 Кельвинах. В этом новом исследовании исследователи обнаружили, что очищенный селенид олова в поликристаллической форме имеет ZT примерно 3,1 при 783 Кельвина. Его теплопроводность была сверхнизкой, ниже, чем у монокристаллов.

«Это открывает двери для создания новых устройств из гранул поликристаллического селенида олова и изучения их применения», — сказал Канатзидис.

Northwestern владеет интеллектуальной собственностью на селенид олова. Потенциальные области применения термоэлектрического материала включают автомобильную промышленность (значительное количество потенциальной энергии бензина выходит из выхлопной трубы автомобиля), тяжелую обрабатывающую промышленность (например, производство стекла и кирпича, нефтеперерабатывающие заводы, угольные и газовые электростанции). и места, где большие двигатели внутреннего сгорания работают непрерывно (например, на больших кораблях и танкерах).

Исследование было поддержано грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (NRF-2020R1A2C2011111), Программой развития технологий наноматериалов через грант NRF, финансируемым правительством Кореи (NRF-2017M3A7B4049274 и NRF- 2017M3A7B4049273) и Института фундаментальных наук (IBS-R009-G2).