Как добыть электричество из тепла без турбин

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

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

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

Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество

Георгий Голованов15 ноября 2019, 11:28

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

32719

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

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

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

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

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

Facebook327Вконтакте19WhatsAppTelegram

---

Термоэлектрический генератор — конвертируем тепло в электричество термогенератором

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Шаг 1: Необходимые детали

1. 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
2. Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
3. Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
4. Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
5. Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
6. Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
7. Резак для резки тонких металлов
8. Ножницы по металлу
9. Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
10. Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
11. Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
12. Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
13. Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
14. 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
15. 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
16. Толстая медная проволока
17. Цифровой мультиметр

Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.

Шаг 2: Конструирование

Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.

Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.

Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.

Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т.д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Файлы

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

принцип работы, применение, как сделать

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

Что такое термоэлектрический генератор?

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

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

Схема работы ТЭС

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

Принцип работы

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

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

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

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

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

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

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

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

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

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

Молекула вместо термопары

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

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

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

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

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

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

Радиоизотопные ТЭГ

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

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

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

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

Сфера применения РИТЕГ

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

Радиоизотопное «сердце» Кассини

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

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

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

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

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

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

Основные моменты сборки:

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

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

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

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

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

Преобразование тепла в электричество полупроводниками

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Ссылки:

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

 

Источник: ScienceDaily

Энергия тепла и холода: зачем нужны термоэлектрики | Мнения

Такого же типа устройства могут быть использованы в ЖКХ. Если в доме имеются нагревательные системы, значит есть и условия для создания разницы температур. А термоэлектрические материалы уже преобразуют избыточную часть тепла в дополнительное электричество. Правда, пока они это делают с очень малым КПД (6–7%).

Но и этого может хватить для обеспечения энергией телевизора или компьютера.

Термоэлектрические материалы были открыты довольно давно. Сначала немецкий ученый Томас Иоганн Зеебек обнаружил взаимосвязь между теплом и электричеством. Затем термоэлектрические явления более подробно изучил французский физик Жан Пельтье. Сумма законов Зеебека и Пельтье послужила основой для первого экспериментального наблюдения термоэлектрического эффекта. Его в середине XIX века произвел российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он взял спай из проволок висмута и сурьмы, поместил на него каплю воды, пропустил электричество, и капля замерзла.

С тех пор прошло довольно много времени, прежде чем термоэлектрические материалы нашли практическое применение. Произошло это благодаря нашему соотечественнику академику Абраму Федоровичу Иоффе, который еще в 1940-е годы высказал идею, что термоэлектрические материалы из очень тяжелых элементов могут быть достаточно эффективны для применения. Иоффе предложил два соединения: теллурид висмута и теллурид свинца. Свои работы он опубликовал на рубеже 1940-1950-х годов, после чего началось развитие исследований в области термоэлектрических материалов с целью создать своего рода отрасль промышленности, которая эти термоэлектрические материалы будет выпускать.

Для того чтобы определить, насколько велика эффективность тех или иных термоэлектрических материалов, нужна была система измерения. И тогда придумали такую безразмерную величину, которая называется «добротность термоэлектрического материала». Она учитывает эффект передачи носителей заряда и эффект передачи носителей тепла в одном соединении.

Для соединений, предложенных академиком Иоффе, величина добротности составила примерно 0,6. Благодаря усилиям по легированию, допированию этих соединений, они за довольно короткое время были доведены до большей эффективности, равной уже 0,9, и началось промышленное производство.

С тех пор все попытки улучшить эффективность термоэлектрического материала были бесплодными, пока в середине 90-х годов XX века новую идею не выдвинул Слэк, американский физик из Ренселеровского политехнического университета. Он сказал, что раз огромную роль играют два процесса: транспорта носителей зарядов, то есть электронов или дырок, и транспорта фононов, то есть транспорта тепла, — то нужно создать такое соединение, в котором эти два типа транспорта будут разделены. И он придумал концепцию с названием «фононное стекло — электронный кристалл».

На базе этой концепции, которая уточнялась, видоизменялась (превратившись в «фононную жидкость и электронный кристалл»), в течение последних 15 лет были созданы новые термоэлектрические материалы. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но, если суммировать все, что мы имеем на сегодняшний день, то для того чтобы создать холод под действием электричества, нет ничего лучше теллурида висмута. А вот для того чтобы создавать электричество под действием температур в диапазоне 200-600 градусов, были найдены новые соединения.

Вопрос в том, как довести эти соединения до промышленных технологий.

Чем эти новые соединения интересны? Например, они не содержат такого элемента, как теллур, который является одним из самых редких элементов на Земле. А до сих пор без теллура не обходится производство ни одного термоэлектрического материала. То есть появилась возможность заменить его на более доступные вещества: железо, медь, сурьму, никель, серу, селен.

Появились и новые направления использования термоэлектрических материалов. Еще в 50-е — начале 60-х годов XX века их стали использовать в космосе. Идея заключалась в том, что тепло, необходимое для работы термоэлектрического материала, должен дать радиоактивный источник. Были созданы такие устройства, в которых образец плутония, саморазогреваясь, давал достаточно тепла для того, чтобы на автономных системах — спутниках, космических объектах — работали термоэлектрические материалы и давали бортовое питание.

Сегодня мы хорошо понимаем, что использование радиоактивных материалов небезопасно и уж никак нельзя перенести этот опыт на то, что мы называем объектами народного хозяйства или объектами быта — безопасность здесь превыше всего. Тем не менее, существуют идеи использования альтернативных источников тепла (например, инфракрасного излучения Солнца) для работы термоэлектрических материалов и преобразования тепловой энергии в электрическую.

На сегодняшний день ведется много разработок по всему миру, в том числе в МГУ и питерском Физтехе. Они показывают, что идеи, выдвинутые Слэком в середине 1990-х годов, все еще живы, и на их основе можно создать новые термоэлектрические материалы с более высоким КПД.

Уровень развития термоэлектрических разработок пока таков, что весь рынок составляет порядка $6 млрд в год, и его сильного увеличения пока не предвидится. Тем не менее, эффективность термоэлектрического материала, как материала, который работает, по сути дела, автономно, обеспечивая небольшое, но заметное замещение углеводородных источников энергии, нельзя сбрасывать со счетов.

Пироэлектрическая нанопленка превратит тепло от электрического тока снова в ток

Shishir Pandya

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

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

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

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

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

S. Pandya et al./ Nature Materials, 2018

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

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

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

Александр Дубов

Превращение тепла в электричество | MIT News

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

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

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

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

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

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

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

Свободный путь

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

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

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

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

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

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

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

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

Уменьшение размера

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

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

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

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

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

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

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

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

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Профессор Эрнст Бауэр в лаборатории. Предоставлено: TU Wien.

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

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

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

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

Электроэнергия и температура

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

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

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

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

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

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

Электроэнергия для Интернета вещей

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

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

---

Как заморозить теплопроводность

---

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

Цитата : Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество (2019, 14 ноября) получено 9 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-11-material-world-electric.html

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

###

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

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

).

Необычайный новый материал превращает отходящее тепло в энергию

Очищенный селенид олова имеет чрезвычайно высокие термоэлектрические характеристики.

Perseverance, марсоход НАСА 2020 года, питается от чего-то очень желанного 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 поддержки Perseverance и ее операций, но недостаточно для приложений на Земле.

Группа ученых из Северо-Западного университета и Сеульского национального университета в Корее теперь продемонстрировала высокоэффективный термоэлектрический материал в практической форме, который может быть использован 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 за всю историю наблюдений. Исследователи смогли достичь высокой степени конверсии после выявления и устранения проблемы окисления, которая ухудшила 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.Основная цель применения — улавливание промышленных отходов тепла, например, от электростанций, автомобильной промышленности, стекольных и кирпичных заводов, и преобразование его в электричество. Более 65% энергии, производимой в мире из ископаемого топлива, теряется в виде отработанного тепла.

Очищенный селенид олова в гранулах. Материал обладает исключительно высокими термоэлектрическими характеристиками. Предоставлено: Северо-Западный университет

.

«Термоэлектрические устройства используются, но только в нишевых приложениях, например, в марсоходе», — сказал Меркури Канатзидис из Northwestern, химик, специализирующийся на разработке новых материалов.«Эти устройства не так популярны, как солнечные батареи, и создание хороших устройств сопряжено со значительными проблемами. Мы сосредоточены на разработке материала, который был бы недорогим и обладающим высокими характеристиками, и который позволит термоэлектрическим устройствам найти более широкое применение ».

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

Подробная информация о термоэлектрическом материале и его рекордных характеристиках была опубликована 2 августа 2021 года в журнале Nature Materials .

Ин Чунг из Сеульского национального университета является другим соавтором статьи. Винаяк Дравид, профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета, является одним из главных авторов исследования. Дравид — давний соратник Канатзидиса.

Термоэлектрические устройства уже хорошо известны, говорит Канатзидис, но то, что заставляет их работать хорошо или нет, — это термоэлектрический материал внутри. Одна сторона устройства горячая, а другая холодная.В середине находится термоэлектрический материал. Тепло проходит через материал, и часть тепла преобразуется в электричество, которое покидает устройство по проводам.

Материал должен иметь чрезвычайно низкую теплопроводность, сохраняя при этом хорошую электропроводность, чтобы эффективно преобразовывать отходящее тепло. А поскольку температура источника тепла может достигать 400-500 градусов по Цельсию, материал должен быть устойчивым при очень высоких температурах. Эти и другие проблемы делают производство термоэлектрических устройств более сложным, чем солнечные элементы.

«Происходило что-то дьявольское»

В 2014 году Канатзидис и его команда сообщили об открытии удивительного материала, который был лучшим в мире по преобразованию отработанного тепла 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 расслоению.

Селенид олова в поликристаллической форме, который является более прочным и может быть разрезан и сформирован для различных применений, был необходим, поэтому исследователи обратились к изучению материала в этой форме.К неприятному удивлению они обнаружили, что теплопроводность материала была высокой, а не желательно низким уровнем, характерным для монокристаллической формы.

«Мы поняли, что происходит что-то дьявольское», — сказал Канацидис. «Ожидалось, что селенид олова в поликристаллической форме не будет иметь высокой теплопроводности, но это было так. У нас была проблема ».

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

Решение найдено, открывая двери

Узнав, что окисление происходит как в самом процессе, так и в исходных материалах, корейская команда нашла способ удалить кислород. Затем исследователи смогли произвести гранулы селенида олова без кислорода, которые затем протестировали.

Измеренная истинная теплопроводность поликристаллической формы оказалась ниже, чем ожидалось. Его характеристики как термоэлектрического устройства, преобразующего тепло в электричество, превзошли характеристики монокристалла, что сделало его наиболее эффективным за всю историю наблюдений.

Эффективность преобразования отработанного тепла в термоэлектриках отражается в его «добротности», которая называется 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 новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и будет изучено их применение», — сказал Канатзидис.

Northwestern владеет интеллектуальной собственностью на материал селенида олова. Потенциальные области применения термоэлектрического материала включают автомобильную промышленность (значительное количество потенциальной энергии бензина выходит из выхлопной трубы автомобиля), тяжелую 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).

Ссылка: «Поликристаллический SnSe с термоэлектрической добротностью выше, чем у монокристалла» Чонцзян Чжоу, Йонг Кю Ли, Юань Ю, Седжин Бьюн, Чжун-Чжэнь Луо, Хёнсок Ли, Банчжи Ге, Йеа-Ли Ли, Синьки Чен , Джи Ён Ли, Оана Кожокару-Миредин, Хёнджу Чанг, Джино Им, Сон-Пё Чо, Маттиас Вуттиг, Винаяк П.Дравид, Меркури Г. Канатзидис и Ин Чунг, 2 августа 2021 г., Nature Materials .
DOI: 10.1038 / s41563-021-01064-6

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

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

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

Анатолий / iStock.com

Автор Роберт Ф. Сервис 11 сентября 2020 г., 17:10

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как работают термоэлектрики? — Силовой практический

А теперь вернемся к термоэлектрике!

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

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

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

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

преобразование отработанного тепла в электричество даже при небольших перепадах температур

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

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

Термомагнитный вместо термоэлектрического

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

Подпишитесь на нашу рассылку новостей!

Ваш еженедельный обзор инноваций Каждое воскресенье лучшие статьи недели в вашем почтовом ящике.

Дополнительные статьи по использованию отходящего тепла

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

Концепция: утилизация отходящего тепла при температуре, близкой к комнатной

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

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

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

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

.