Как перевести тепловую энергию в электрическую: Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения

tPOD1 — эффективный преобразователь тепловой энергии в электричество / Хабр

То, что тепловую энергию можно преобразовывать в электричество, известно очень давно. Существует и целый спектр портативных устройств, которые совершают подобные преобразования без большого числа промежуточных этапов. Но вскоре может появиться устройство, которое окажется практически идеальным преобразователем тепловой энергии в электрическую для охотников, туристов, путешественников и жителей отдаленных регионов. tPOD1 достаточно эффективен — тепла, выделяемого одной маленькой свечкой (знаете, такие мини-свечки в металлической крышечке, они еще по воде могут плавать) хватит для обеспечения энергией светодиодной лампы (на 25 светодиодов) вплоть до четырех часов.

Этот проект разработан компанией Tellurex, которая в настоящее время собирает средства на реализацию своей идеи в промышленном масштабе на Kickstarter. Всего для начала массового производства tPOD1 нужно 85 тысяч долларов США. 40 тысяч долларов США уже собрано.

Разработчики считают, что их устройство может быть полезным, в первую очередь, для жителей удаленных регионов Африки. Та же мобильная связь добралась и туда, однако иногда жителям приходится проходить несколько километров в день, только для того, чтобы зарядить свой телефон где-нибудь в более цивилизованном районе. А теперь заряжать телефон можно будет буквально «из костра». Вероятно, жители смогут и просто класть tPOD1 куда-нибудь на темный камень, нагревающийся на солнце до 70 градусов (и даже выше).

Правда, стоимость девайса чрезмерно велика для африканца — выложить придется 69-79 долларов США. Так что пока tPOD1, вероятно, станет раскупаться только туристами, рыбаками и прочими категориями граждан, регулярно совершающих путешествия.

На видео, размещенном ниже, показан принцип действия устройства. Там вначале девочка вещает, но с 20-й секунды начинается сама презентация.

Via mashable

Создан преобразователь тепла в холод

Скромных познаний в физике достаточно для того, чтобы представлять себе общую картину эффективности современных двигателей внутреннего сгорания. На полезную работу уходит всего 25-40% выделяемой при сгорании топлива энергии. Большая её часть в виде тепла “уходит” в окружающую среду. Схожая ситуация происходит на тепловых электростанциях и других промышленных объектах. Помимо повышенного расхода углеводородов, это вредит экологии и является причиной дискомфорта. Даже офисный компьютер может поднять температуру в помещении, не говоря уже про серверные стойки, которые могут нормально функционировать только под постоянным обдувом кондиционерами.

Количество искусственных источников тепла растёт с каждым днём, но, к счастью, научный прогресс не стоит на месте. Инженеры Государственного университета Орегона (США) создали установку для улавливания тепла и преобразования его в холод, о чём сообщают нам журналисты сайта DailyTech . При проектировании этой установки учёные смогли совместить цикл газовой компрессии с циклом Ранке, в результате чего удалось добиться “возвращения” до 80% уходящей тепловой энергии, правда… в виде холода.

Преобразование улавливаемого тепла в электричество, к сожалению, не имеет такой эффективности, она составляет около 15-20%, хотя и это уже неплохо.

Очевидно, что подобные устройства могут быть использованы в самом широком спектре отраслей. К примеру, такую установку можно закрепить на выхлопной системе автомобиля, получая кондиционер, не требующий дополнительного расхода топлива. Бюджет Министерства Обороны США является одним из источников финансирования данного проекта, потому ведомство заинтересовано в возможности охлаждения электроники в полевых условиях, за счёт (если можно так выразиться) тепла дизельных генераторов. У специалистов университета уже имеется реально функционирующий прототип данной установки. Он работает именно так, как задумывали учёные, и продолжает совершенствоваться.

Преобразователь кинетической энергии в электрическую – Энергетика и промышленность России – № 3 (43) март 2004 года – WWW.EPRUSSIA.RU

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 3 (43) март 2004 года

Известный российский ученый А. О. Шахинов сказал о нем: “Это изобретение очень актуально для нашего XXI века. Так в свое время, когда была изобретена гидроэлектростанция, случился переворот, можно было получать энергию, не затрачивая на это ресурсов и так уже истощившегося запаса полезных ископаемых земного шара”.

Устройство производит электроэнергию буквально из воздуха. Такой преобразователь энергии особенно подходит для больших современных городов.

Это не гидроэлектростанция, для которой обязательно требуется река.

Это не приливно/отливная станция, для которой обязательно требуется море или озеро. И это не ветряные электростанции, которые работают только в том случае, если есть ветер. Наш преобразователь энергии действует в любом современном городе и не зависит от воды, ветра, прилива или отлива.

Суть изобретения: специальные встраиваемые панели в дороги города.

При совершении наезда любым видом транспорта на такую панель вырабатывается энергия. Причем вырабатывается очень большое количество энергии. Обратите внимание на то, что если поставить такую панель на оживленном шоссе, то энергия будет поступать бесконечно.

По подсчетам наших специалистов, два таких устройства смогут питать круглые сутки большой 9-этажный 108-квартирный дом! Заметьте, что никаких затрат, кроме первоначальной покупки и установки преобразователя, не требуется. Такой дом не будет зависеть ни от каких электростанций, кроме своей собственной – локальной.

При постройке новых домов можно добавлять в проект наш преобразователь. И спрос на такое жилье будет поистине большим. Ведь кому хочется покупать квартиру, за электроэнергию в которой постоянно надо платить, – если можно купить жилье, в котором можно жить и не переживать за повышение цен на электроэнергию. Энергия в таких домах будет совершенно бесплатна.

Но не только жилые дома могут черпать энергию из преобразователя. Ведь везде существуют предприятия, которые нуждаются в постоянном источнике электропитания.

Вот один из вариантов. Если в аэропорту поставить пару преобразователей, то аэропорт не будет нуждаться в подводке проводов от других электростанций, которые расположены, как всегда, совсем не рядом. Помимо того, что не будет лишних затрат на километры проводов, не будет и надобности оплачивать бесконечное количество счетов от электростанций, которые отнимают значительную часть прибыли. Такой аэропорт сможет забыть про квитанции об оплате электроэнергии. В них отпадет надобность.

Возьмем город в целом. Если вдоль главной трассы поставить 100 таких устройств, то такая дорога будет питать весь город. Значительно улучшатся экологические показатели. А громоздкие сооружения в виде страшных дымящих труб исчезнут.

То есть это – экологически чистый, безопасный и бесплатный способ выработки энергии.

Преобразователь представляет собой редуктор с накопителем энергии – маховиком, который раскручивается за счет поступательного движения толкателя и поворота зубчатого сектора привода. Толкатель вертикально утапливается шарнирным соединением двух металлических площадок на всю ширину проезжей части, имеющих оптимальную длину по 20 метров в обе стороны от шарнира, причем верхняя точка шарнира от плоскости дорожного покрытия находится на высоте 0,5 метра.

Транспортное средство, двигаясь по площадкам, утапливает толкатель через шарнир, раскручивая маховик – накопитель энергии.

После прохождения транспортного средства по площадкам последние возвращаются в исходное положение простейшим механизмом возврата.

Таким образом преобразователь использует вторичный источник энергии, первичный (нефть, газ, уголь) уже затрачен на движение транспортного средства, при этом электрические транспортные средства можно перевести на непосредственное питание от преобразователей, установленных на маршрутах движения.

Проект готов к реализации, причем организация проекта осуществляется на базе любого машиностроительного предприятия и не изменяет принципиально и по существу действующую на нем организацию производства.

Преобразователь содержит силовой блок, включающий кинематически связанные между собой грузовой и уравнивающий механизмы и вал потребителя энергии. Грузовой механизм выполнен в виде двух подвижных шарнирно-соединенных между собой платформ.

Платформы установлены своими опорными сторонами с возможностью возвратно-поступательного движения опорных сторон по направлению продольной оси дороги. Платформы являются частью проезжей части дороги. Ось шарнирного соединения платформ ориентирована параллельно опорным сторонам платформ и перпендикулярно продольной оси дороги.

Уравновешивающий механизм выполнен в виде механизма возврата, который содержит по меньшей мере два кронштейна, размещенных по обе стороны дороги, по меньшей мере два блока, размещенных на кронштейнах, по меньшей мере два груза и по меньшей мере два троса, каждый из которых одним своим концом через блок соединен с одним из грузов, а вторым – с грузовым механизмом непосредственно у шарнирного соединения. Кинематическая связь грузового механизма с валом потребителя энергии осуществляется посредством силового привода.

Силовой привод содержит толкатель, шатун, зубчатый сектор, храповой механизм с ведущей и ведомой шестернями, ведущую шестерню вала потребителя энергии и ведомую шестерню вала потребителя энергии, жестко соединенную с этим валом.

В 1998 году его для нас оценила оценочная компания (опытный образец) – 48 тыс. дол. Но это без вмонтирования устройства в дорогу.

С вмонтированием оного в дорогу получится примерно вдвое больше, т.е. около 100 тыс. дол.

Период окупаемости проекта – 1 год.

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.

Сколько Гкал получается из 1 кВт

Как перевести кВт в Гкал/ч при расчете расходов на отопление тепло-вентиляторами ВУЛКАН?

VOLCANO mini 0,017196 Гкал/час,
VOLCANO VR1 0,025794 Гкал/час,
VOLCANO VR2 0,04299 Гкал/час,
VOLCANO VR3 0,064485 Гкал/час.

Ключевой показатель для перевода данных из киловаттов в калории: 1 кВт = 0,00086 Гкал/час

Чтобы узнать, сколько Гкал получается, нужно имеющееся число кВт умножить на постоянную величину, 0,00086.

Рассмотрим пример. Предположим, в калории нужно перевести 250 кВт. 250 кВт х 0,00086 = 0,215 Гкал/час.

(Более точные онлайн-калькуляторы покажут 0,214961).

---

1 ккал/час = 1,163 Вт

1 Гкал/час = 1,163 МВт

1 Вт = 0.001 кВт
1 Вт = 859.8 кал/час
1 Вт = 3.412 BTU/час
1 Вт = 0.8598 ккал/час

1 кВт = 1000 Вт
1 кВт = 3412 BTU/час
1 кВт = 859800 кал/час
1 кВт = 859.8 ккал/час
1 кВт = 0.0008598 Гкал/час

100 кВт = 0,086 Гкал/час

1 МВт=1000 кВт
1 МВт=1000000 Вт
1 МВт=0.8598 Гкал/час
1 МВт=859800 ккал/час
1 МВт=859800000 кал/час
1 МВт=3412000 BTU/час

---

Для удобства перевода предлагаем воспользоваться автоматическим переводчиком.

 

Перевод единиц мощности

Выберите единицу мощности, из которой надо перевести ВткВтМВтГвтккал/чМкал/чГкал/чВыберите единицу мощности, в которую надо перевести ВткВтМВтГвтккал/чМкал/чГкал/ч
Введите количество Рассчитать	Переводной коэффициент

---

Рассеивание тепловой энергии тепловентиляторами ВУЛКАНО.

---

Сколько Гкалл потребляет тепловентилятор VOLCANO mini ?

Скорость работы калорифера VOLCANO VR mini (теплоноситель 90 град)	кВт	Вт	BTU/час	кал/час	ккал/час	Гкал/час
(1-я скорость)	14,1	14100	48109,2	12123180	12123,18	0,01212318
(2-я скорость)	18,1	18100	61757,2	15562380	15562,38	0,01556238
(3-я скорость)	20	20000	68240	17196000	17196	0,017196

Диапазон тепловой мощности, кВт	3-20 кВт
Отапливаемая площадь, высота 3м (например)	30-200 м2
Отапливаемые помещения	90-600 м3
Напряжение питания, В	220
Электропотребление двигателя, Вт	39 – 95
Тип двигателя AC – 3-х скоростной\EC – бесступенчатый	EC
Количество рядов нагревателя	двухрядный
Количество скоростей работы двигателя	3
Объем воды в теплообменнике, л	1,12
Максимальная температура теплоносителя, С0	130
Максимальное давление теплоносителя, атм	16
Материал корпуса	Пластик
Максимальный ток, A	0,51
Расход воздуха (производительность), м3/ч	1100/1650/2100
Максимальная высота подвеса, м	8
Дальность обдува (длина струи потока воздуха), м	14
Диаметр патрубков для подключения теплоносителя	3/4″
Вес, кг	17,5
Уровень шума, дБ (А)	27/40/50
Защита от влаги	IP 44
Дальность обдува (вертикальный поток воздуха), м	8
Габариты, мм: ШхВхГ	530х395х530
Частота вращения двигателя максимальная, об/мин	1450

---

Сколько Гкалл потребляет тепловентилятор VOLCANO VR2 ?

Скорость работы калорифера VOLCANO VR2 (теплоноситель 90 град)	кВт	Вт	BTU/час	кал/час	ккал/час	Гкал/час
(1-я скорость)	32,7	32700	111572,4	28115460	28115,46	0,02811546
(2-я скорость)	41,9	41900	142962,8	36025620	36025,62	0,03602562
(3-я скорость)	50	50000	170600	42990000	42990	0,04299

Диапазон тепловой мощности, кВт	8-50 кВт
Отапливаемая площадь, высота 3м (например)	80-500 м2
Отапливаемые помещения	240-1800 м3
Напряжение питания, В	220
Электропотребление двигателя, Вт	162 – 250
Тип двигателя AC – 3-х скоростной\EC – бесступенчатый	EC
Количество рядов нагревателя	двухрядный
Количество скоростей работы двигателя	3
Объем воды в теплообменнике, л	2,16
Максимальная температура теплоносителя, С0	130
Максимальное давление теплоносителя, атм	16
Материал корпуса	Пластик
Максимальный ток, A	1,3
Расход воздуха (производительность), м3/ч	2400/3600/4850
Максимальная высота подвеса, м	11
Дальность обдува (длина струи потока воздуха), м	22
Диаметр патрубков для подключения теплоносителя	3/4″
Вес, кг	29
Уровень шума, дБ (А)	38/49/54
Защита от влаги	IP 44
Дальность обдува (вертикальный поток воздуха), м	11
Габариты, мм: ШхВхГ	700х425х700
Частота вращения двигателя максимальная, об/мин	1430

---

Сколько Гкалл потребляет тепловентилятор VOLCANO VR3 ?

---

Скорость работы калорифера VOLCANO VR3 (теплоноситель 90 град)	кВт	Вт	BTU/час	кал/час	ккал/час	Гкал/час
(1-я скорость)	49,5	49500	168894	42560100	42560,1	0,0425601
(2-я скорость)	60,6	60600	206767,2	52103880	52103,88	0,05210388
(3-я скорость)	75	75000	255900	64485000	64485	0,064485

Диапазон тепловой мощности, кВт	15-75 кВт
Отапливаемая площадь, высота 3м (например)	150-750 м2
Отапливаемые помещения	450-2250 м3
Напряжение питания, В	220
Электропотребление двигателя, Вт	218 – 370
Тип двигателя AC – 3-х скоростной\EC – бесступенчатый	EC
Количество рядов нагревателя	трехрядный
Количество скоростей работы двигателя	3
Объем воды в теплообменнике, л	3,1
Максимальная температура теплоносителя, С0	130
Максимальное давление теплоносителя, атм	16
Материал корпуса	Пластик
Максимальный ток, A	1,7
Расход воздуха (производительность), м3/ч	3000/4100/5700
Максимальная высота подвеса, м	12
Дальность обдува (длина струи потока воздуха), м	25
Диаметр патрубков для подключения теплоносителя	3/4″
Вес, кг	31
Уровень шума, дБ (А)	43/49/55
Защита от влаги	IP 44
Дальность обдува (вертикальный поток воздуха), м	12
Габариты, мм: ШхВхГ	700х425х700
Частота вращения двигателя максимальная, об/мин	1400

насколько это реально? — Александр Навагин — Хайп

Сможет ли человек вырабатывать электроэнергию?

Человеческий организм – по сути своей биологическая машина, перерабатывающая органические соединения в процессе своей жизнедеятельности. Потребляемая пища раскладывается на более простые вещества, часть которых (белки, аминокислоты) используется как «строительный материал» для тела, а еще часть (углеводы) служит «топливом».

Человек за день потребляет количество еды, содержащее в себе примерно от 1500 до 5000 ккал энергии, а то и больше. Нормой считается 2500-3000 ккал, что в переводе на киловатт-часы равно 2,9-3,5 кВтч. Для сравнения, емкость батареи iPhone X равна 10,3 Втч. То есть, за день человек нуждается в количестве энергии, достаточной для того, чтобы зарядить около трех сотен Айфонов, или почти ежедневно заряжать один на протяжении года.

Не вся энергия, потребленная организмом, полностью задействуется им, так как КПД нашего тела ниже 100%. Значительная ее часть выделяется в виде тепла. В состоянии покоя тело выделяет в атмосферу примерно столько же энергии, сколько и одна «лампочка Ильича».

Человек выделяет тепло как лампочка © pxhere.com

При физических нагрузках количество энергии увеличивается, так как в организме активно протекают химические реакции, необходимые для работы мышц, а сами мышцы производят механическую работу. Работа эта тоже имеет КПД далеко не 100%, часть кинетической энергии тратится впустую.

Как можно понять исходя из цифр, в теле скрыт поистине огромный энергетический потенциал. Стоит взять хотя бы десятую долю энергии организма – и это решит навсегда проблему зарядки портативной электроники. Но реально ли обратить ту часть энергии тела, что тратится впустую, себе на пользу? Сейчас попробуем разобраться…

Механическая энергия: все уже придумано

Начать стоит с того, что люди уже давно придумали, как использовать часть механической энергии тела. Сотню лет существуют наручные часы с автоподзаводом, не нуждающиеся в ежедневном закручивании пружинки. Их механизм содержит маховик, совершающий колебания при движении руки. Он связан с пружиной, поэтому при колебаниях подтягивает ее. В итоге часы приходится заводить вручную только после длительного бездействия, остальное время это происходит как бы само по себе.

Маховик автоподзавода в форме полумесяца © aBlogtoWatch

Автоподзавод часов – штука хорошая, но и энергии на него тратится совсем мало. Ее явно недостаточно для чего-то более крупного и требовательного. Нас же интересует возможность получать от тела намного больше полезной энергии. А это уже гораздо сложнее.

Большой маховик на человека не повесишь, он будет приносить дискомфорт. Да и энергию такой маховик будет задействовать не ту, что тратится впустую, а требовать дополнительных затрат. Нацеплять везде маленьких механизмов (на руки, ноги, торс и т.д.) – тоже не вариант. Это и дискомфорт, и лишняя тяжесть, и потребность в миниатюрных генераторах, преобразующих механическую энергию в электрическую. В общем, пока что задействовать излишки механической энергии движения тела проблематично.

Единственным реальным источником «халявной» энергии является ходьба. Этот режим передвижения весьма малоэффективен с энергетической точки зрения, имеет низкий КПД. Чтобы убедиться в этом, сравните, сколько человек преодолеет за час пешком, а сколько – на велосипеде, затратив при этом примерно столько же (а то и меньше) энергии.

При ходьбе много энергии выделяется при касании ступней земли и переносе массы тела на нее. Двигаясь с умеренной скоростью, человек за минуту совершает около 120 шагов. В момент касания земли он осуществляет давление на нее, совершается механическая работа.

Делая шаг, человек прикладывает усилие около 80 кг © Medical Xpress

А теперь вспоминаем карманные зажигалки с искрообразованием от пьезоэлектрического элемента. Нажимая кнопку, человек сжимает пьезоэлемент, от чего тот выделяет электроэнергию, и возникает пробой искры, поджигающей газ. Однако энергии выделяется мало, если щелкать зажигалку раз в полсекунды (частота шагов), в среднем выйдет около 0,5 мВт (милливатт). Маловато, но все же можно попробовать посчитать дальше.

Пьезоэлемент зажигалки © Wikipedia

Площадь пьезоэлемента зажигалки – примерно 0,25 см², значит в 1 см² можно разместить 4 таких устройства. Площадь подошвы обуви – около 150 см², итого около 600 элементов можно поместить в подошву. Их нажатие даст около 300 мВт или 0,3 Вт. То есть, за час ходьбы будет выработано 0,3 Втч энергии.

0,3 Втч – маловато, даже без учета следующего нюанса: для активации пьезоэлемента зажигалки требуется усилие около 3 кг. 600 элементов потребуют усилия, создаваемого массой 1800 кг. Человек при ходьбе создает усилие всего около 120% от своей массы. При массе тела 70 кг это порядка 85 кг. Этого хватит лишь для активации 28 элементов, а 28×0,5=14 мВт, за час ходьбы будет выработано всего 0,014 Втч энергии, что совсем ничтожно.

Можно сделать вывод, что пока механическую энергию тела преобразовать в электрическую, не создавая неудобств для человека, проблематично. Оснастить обувь пьезоэлементами – реально, но снять с нее мощность, достаточную для удовлетворения базовых потребностей человека – нет.

Электричество из тепла

Тело человека выделяет в окружающую среду порядка 100 Вт тепловой энергии. Преобразовать ее в электрическую можно, используя эффект Зеебека: возникновения электродвижущей силы в термоэлектрических материалах, части которых находятся под действием разных температур. Разместив на теле пластину, которая другой стороной контактирует с окружающей средой, можно вырабатывать электричество за счет разницы температур.

Термоэлектрический генератор © YouTube

Чем больше разница температур – тем выше вырабатываемая мощность, поэтому такие генераторы (элементы Зеебека) особенно эффективны зимой на улице. Но есть ряд проблем.

КПД современных термоэлектрических материалов не превышает 10%, то есть из 100 Вт тепла будет выработано до 10 Вт электроэнергии. 10 Вт – это неплохо, ведь за час-два ношения элемента можно полностью зарядить смартфон. Но

Перевод киловатт-часов в калории, джоули

Киловатт-час (кВт⋅ч, kW⋅h) – внесистемная единица измерения,
выведенная исключительно для учёта количества
использованной или произведённой электроэнергии.

Область применения – для счётчиков электрической энергии.
Разница в терминах «киловатт» и «киловатт-час»

Онлайн-конвертер для перевода киловатт-часов

в калории, джоули и кратные им единицы

киловатт-часов

—————————————-

0 ватт-секунд (Вт⋅сек)

0 ватт-часов (Вт⋅ч)

0 киловатт-часов (кВт⋅ч)

0 мегаватт-часов (МВт⋅ч)

0 гигаватт-часов (ГВт⋅ч)

—————————————-

0 джоулей (Дж)

0 килоджоулей (кДж)

0 мегаджоулей (МДж)

0 гигаджоулей (ГДж)

—————————————-

0 калорий (кал)

0 килокалорий (ккал)

0 мегакалорий (Мкал)

0 гигакалорий (Гкал)

Киловатт-час – внесистемная единица для измерения и учёта произведённого или употреблённого количества электроэнергии. Применение киловатт-часов, как единицы измерения и учёта, на территории России регламентирует ГОСТ 8.417-2002, в котором однозначно указаны наименование, обозначение и область применения для этой единицы измерения.

Выдержка из ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин», п.6 Единицы, не входящие в СИ (фрагмент таблицы 5)

Внесистемные единицы, допустимые к применению наравне с единицами СИ

Наименование величины	Единица
	Наименование	Обозначение		Соотношение с единицей СИ	Область применения
		Между народное	Русское
Энергия	киловатт-час	kW⋅h	кВт⋅ч	3,6 x 106 Дж	Для счётчиков электрической энергии

Допускается применение кратных киловатт-часу единиц измерения –
ватт-секунд (Вт⋅сек), ватт-часов (Вт⋅ч), мегаватт-часов (МВт⋅ч), гигаватт-часов (ГВт⋅ч)

«Киловатт-час» – для счётчиков электрической энергии.  Поэтому, конвертация и перевод киловатт-часов в калории, джоули и кратные им единицы позволительны лишь для случаев преобразования электрической энергии в тепловую или механическую, и наоборот. Например, при расчётах производительности электромоторов, электронагревательных приборов, эл.генераторов и т.д. Если в физическом процессе электричество не участвует, то связывать с таким процессом термин «киловатт-час» нельзя.

Читать и понимать это нужно так:

• 1000 киловатт-часов (кВт⋅ч) электроэнергии расходуется для получения
  0, 859 845 гигакалории (Гкал) тепла
  (без учёта потерь)

или так:

• 1000 киловатт-часов (кВт⋅ч) электроэнергии расходуется для выполнения работы в
  3.6000 гигаджоуля (ГДж)
  (без учёта потерь)

или так:

• 0, 859 845 гигакалории (Гкал) тепловой энергии требуется для получения
  1000 киловатт-часов (кВт⋅ч) электроэнергии
  (без учёта потерь)

Правописание термина «киловатт-час» (по ГОСТ 8. 417-2002):

• полное наименование пишется через дефис: ватт-час, киловатт-час, мегаватт-час
• краткое обозначение пишется через точку: Вт⋅ч, кВт⋅ч, kW⋅h

Разница в терминах «киловатт» и «киловатт-час»

Конвертер единиц и величин можно сохранить локально
и пользоваться им, не заходя на сайт.

Перевод киловатт-часов в гигакалории

Вопрос читателя:
1000 киловатт-часов = 0 ,859 845 (Гкал)
1000 киловатт-часов = 0, 860 420 (Гкал)
1000 киловатт-часов = 0, 860 112 (Гкал)

Как правильно? И почему так?

В нестоящее время определены и используются три разновидности калории, разнящиеся по своей величине. Разница выплывает из самого определения калории. Калория – теплота, необходимая для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Поскольку теплоёмкость воды зависит от температуры, то и размер калории зависит от условий нагревания.

Соответственно, существуют:

1. Калория международная
   (русское обозначение: кал;
   международное: cal),
   1 кал = 4,1868 Дж точно.
2. Калория термохимическая
   (русское обозначение: калТХ;
   международное: calth),
   1 кал ≈ 4,1840 Дж
3. Калория 15-градусная
   (русское обозначение: кал15;
   международное: cal15),
   1 кал ≈ 4,1855 Дж

Далее, по определению, ватт равен 1Вт = 1Дж/1с, соответственно:

1000 киловатт-час, равно
1000 кВт*час = 1 000 000 Дж x 3600 сек / 1 сек

Принимая три разных значения, принятые для калории,
получаем неточности, при переводе 1000 киловатт-часов в Гигакалории:

1000 кВт*час = 1 000 000 / 4,1868 Дж x 3600 сек =
859 845 227, 8589 кал = 0,859 845 (Гкал)

1000 кВт*час = 1 000 000 / 4,1840 Дж x 3600 сек =
860 420 650, 0956 кал = 0,860 420 (Гкал)

1000 кВт*час = 1 000 000 / 4,1855 Дж x 3600 сек =
860 112 292, 4381 кал = 0, 860 112 (Гкал)

Таким образом, микро-неточности в определении величины калории проявляются в макро-расчётах по определению гигакалории. В калькулятор «заложена» «Калория международная» (русское обозначение: кал; международное: cal), 1 кал = 4,1868 Дж точно.

Источники:

1. Википедия «Калория»
2. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. N 879.

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) удалось разработать совершенно новый материал со значением ZT от 5 до 6.Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

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

Электроэнергия и температура

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

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

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

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

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

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло от мест с высокой температурой к местам с низкой температурой, подавляются неоднородностями 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 19 февраля 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.

Строго говоря, термоэлектрические генераторы воспринимают разницу температур и превращают ее в электрическую энергию.Удивительно, но эти материалы можно использовать и наоборот! Если вы подадите энергию на термоэлектрический генератор, вы создадите разницу температур. Небольшие 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 движутся электроны в металле. Металлы – хорошие проводники, 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 двигаться от горячего конца к холодному. 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 потребуется 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, при кипении вода никогда не нагревается выше 212 F (100 C), что эффективно ограничивает максимальную температуру «холодной» стороны термоэлектрического генератора. Вот почему в PowerPot всегда должно быть что-то водянистое, иначе термоэлектрический генератор может перегреться.

Этот рендеринг показывает распределение температуры в PowerPot во время работы с некоторыми удаленными деталями для ясности.

Предпосылки создания термоэлектриков

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

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

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

Что нужно помнить об эффекте Зеебека:

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

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

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

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

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

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

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

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

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. Зеебеком.Если соединить два разных металла вместе, то может возникнуть электрическое напряжение, если один металл теплее другого. Этот эффект позволяет частично преобразовать остаточное тепло в электрическую энергию. Остаточное тепло является побочным продуктом почти всех технологических и естественных процессов, например, на электростанциях и в 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, какой бы полезный эффект ни был, в обычных металлах он чрезвычайно мал.Это связано с тем, что металлы обладают не только высокой электропроводностью, но и высокой теплопроводностью, поэтому разница температур сразу исчезает. Термоэлектрические материалы должны иметь низкую теплопроводность, несмотря на их высокую электропроводность. Термоэлектрические устройства, изготовленные из неорганических полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута, уже сегодня используются в определенных технологических приложениях. Однако такие системы материалов дороги, и их использование окупается только в определенных ситуациях. Например, гибкие нетоксичные органические материалы на основе углеродных наноструктур также исследуются на предмет их использования в организме человека.

Карандаш HB и сополимерный лак

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

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

Объяснение плохой теплопередачи

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

Outlook: гибкие компоненты, напечатанные прямо на бумаге

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

История Источник:

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

Разработан самый эффективный термоэлектрический материал в мире

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

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

Чем выше ZT материала, тем эффективнее он преобразует тепло в электричество.Хотя теоретического верхнего предела ZT нет, ни один из известных материалов не демонстрирует ZT выше 3. Исследователи полагают, что с ZT, равным 2,2, новый материал достаточно эффективен для использования в практических приложениях и может привести к более широкому распространению термоэлектриков. промышленность.

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

Учитывая огромный потенциал термоэлектриков в плане рекуперации части тепловой энергии, которая в настоящее время теряется, они были в центре внимания многих исследования, которые показали, что они значительно улучшились в последние годы. Настолько, что марсоход Curiosity оснащен свинцовыми термоэлектриками из теллурида, хотя его система имеет только ZT 1. BMW также тестирует системы для сбора тепла из выхлопных систем и двигателей внутреннего сгорания. своих машин.

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

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

Источник: Северо-Западный университет

«Поглотитель энергии» может превращать отходящее тепло от 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 делается на электростанциях, автомобильных двигателях и других источниках тепла. Проблема: эти «низкокачественные» источники выделяют слишком мало тепла для современной технологии, чтобы обеспечить хорошее преобразование.

Теперь исследователи создали устройство, которое использует жидкости для эффективного преобразования низкопотенциального тепла в электричество. Прогресс может однажды привести в действие устройства, поглощающие энергию, которые могут включать датчики и огни 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 автомобилей.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 практически бесполезны.

Чтобы решить эту проблему, физик-материаловед Цзюнь Чжоу и его коллеги из Университета науки и технологий Хуачжун обратились к термоэлементам. В этих устройствах используется жидкость вместо твердых материалов, чтобы проводить заряды от горячей стороны к холодной. Они делают это не путем перетасовки электронов, а путем 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, меняя его от электрона с зарядом –4, или Fe (CN) ₆ ^–4 , на феррицианид с зарядом –3, или Fe (CN) ₆ ^–3 . Затем электроны перемещаются по внешней цепи к холодному электроду, питая по пути небольшие устройства. Достигнув холодного электрода, электроны соединяются с ионами Fe (CN) ₆ ^–3 , которые диффундировали снизу вверх.Это регенерирует ионы Fe (CN) ₆ ^–4 , которые затем диффундируют обратно к горячему электроду и повторяют цикл.

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

Тоже сработало. Термоэлемент генерировал в пять раз больше энергии для той же площади электрода, чем предыдущие версии, сообщают Чжоу и его коллеги на этой неделе в Science . Это также более чем вдвое увеличило эффективность, необходимую для создания жизнеспособного коммерческого устройства.Группа обнаружила, что модуль размером с книгу в мягкой обложке, состоящий из 20 термоэлементов, может включать светодиоды, питать 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, не принимавший участия в исследовании. Он добавляет, будет ли это достаточно хорошим для того, чтобы сделать технологию коммерчески успешной. «Низкопотенциальное отходящее тепло есть везде. 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 питать все виды маленьких гаджетов теплом, которое окружает нас.

Превращение тепла в электроэнергию для устройств автоматизации

Вкратце:

• Металлические ремни прочные.Многослойные металлические ремни прочнее.
• Металл устойчив к царапинам и царапинам, не позволяя бактериям спрятаться и размножаться.
• Металлические ремни не создают пыли и мусора.

Однослойные металлические ремни прочнее пластмассовых или резиновых ремней. Но им все еще может не хватать прочности и долговечности для работы в приложениях, связанных с поднятием тяжестей и повторяющимися движениями, такими как робототехника. В таких случаях лучше использовать многослойные металлические ремни.

Но являются ли многослойные металлические ремни хорошим выбором для вашей конструкции или применения?

Рассмотрим преимущества и недостатки многослойных металлических лент по сравнению с их однослойными аналогами и неметаллическими ремнями.

Основные сведения о металлических лентах

Многослойные ленты на конвейерах обладают всеми преимуществами однослойных металлических лент, одновременно повышая прочность и долговечность.

Многослойные ремни похожи на однослойные по конструкции, и оба могут использоваться в бесконечных или открытых конфигурациях.

Бесконечная металлическая лента – это цельный непрерывный металлический лист, сваренный в петлю. Такой ремень долговечен и обеспечивает стабильную, воспроизводимую работу, что делает его полезным для автоматизированной сборки, пищевой промышленности и медицинских устройств.

Приводные ленты похожи на конвейерные ленты, но используются со специальными синхронизирующими шкивами, что делает их полезными для повторяемого и точного движения.

Металлические приводные ленты, с другой стороны, имеют открытую конфигурацию. Они имеют металлическую конструкцию с ремнями, но закреплены на каждом конце. Они обычно используются для чрезвычайно точного и воспроизводимого движения, которое необходимо при создании 3D-принтеров и роботов.

Металлические ремни могут быть изготовлены из различных сплавов нержавеющей стали и титана, а также из никелевых сплавов, таких как инконель и инвар.Некоторые из этих материалов устойчивы к низким температурам, другие – к коррозии, а некоторые имеют высокие пределы прочности и текучести. Выбор материала зависит от предполагаемого применения.

Как и их однослойные аналоги, многослойные приводные ленты обеспечивают нулевой люфт, который возникает в результате слишком большого зазора между отверстиями ремня ГРМ и штифтом синхронизирующего шкива. Как правило, требуется некоторый зазор, чтобы избежать столкновения и позволить штифтам войти в отверстия, но это может вызвать люфт при переворачивании ремня.

Когда шкив поворачивается, чтобы переместить ремень назад, штифты должны сначала переместиться с одной стороны своих отверстий на другую, прежде чем толкать ремень. Этот небольшой люфт может привести к неточности позиционирования в профиле движения. Для устранения этого могут быть разработаны прецизионные металлические ремни.

Металлические ремни работают со шкивами без зубцов или канавок, что снижает точность и повреждения от люфта.

Различия в многослойных ремнях

Многослойные ремни состоят из 2-7 наложенных друг на друга лент толщиной от 0.003–0,005 дюйма. Это сводит к минимуму общее напряжение, прикладываемое к ремню, и позволяет ремню выдерживать большую растягивающую нагрузку на увеличенной площади поперечного сечения. Дополнительная прочность также продлевает срок службы ремней.

Многослойная конструкция также добавляет жесткости, что увеличивает его модуль упругости, так что ремень может противостоять люфту из-за любых оставшихся зазоров между отверстиями ГРМ и штифтами, которые невозможно спроектировать. Это может быть полезно во многих приложениях. Например, у некоторых роботов-манипуляторов есть два стальных ремня, работающих в тандеме, причем один ремень обеспечивает реверсивное движение.Благодаря неэластичности стального ремня эта конструкция может выдерживать быстрое ускорение и движение задним ходом, не вызывая люфта. Многослойные ремни обычно используются таким образом, чтобы выдерживать высокие нагрузки и ускорения.

Многослойные ремни изготовить сложнее из-за того, что все слои должны быть точно изготовлены, а затем свариваться вместе на концевом выступе ремня. Каждый поясной слой имеет немного разную длину и должен быть прикреплен так, чтобы он мог подходить к другим слоям при намотке на шкив.Концевой язычок – еще один ключевой элемент для обеспечения длительного срока службы ремня, поскольку он подвергается высоким нагрузкам. Из-за этого дизайн вкладки так же важен, как и качественная прецизионная сварка, использованная для ее создания.

Непористые поверхности лент из нержавеющей стали устойчивы к повреждениям, что делает их менее уязвимыми для бактерий или микробов в следах и царапинах.

Многослойные ремни обладают множеством преимуществ, в том числе их прочностью и гибкостью, но у них есть несколько других.

Толщина ремня и размер шкива определяют срок службы ремня. Шкив большего размера обычно означает, что ремень может выдерживать большую нагрузку. Но многослойные ремни могут выдерживать большую нагрузку без увеличения диаметра шкива. Несколько уровней обеспечивают прочность более толстой ленты, но работают вместе, чтобы получить гибкость меньшей ленты. Приложения, в которых полностью используются преимущества многослойных металлических ремней, включают перемещение тяжелых грузов без места для шкива подходящего размера, необходимого для однослойного, но более толстого ремня.Эта конструкция позволяет использовать шкивы диаметром от 1,5 дюйма.

Как указывалось ранее, производство многослойных металлических ремней сложнее, что приводит к более высокой начальной стоимости. Это изначально недостаток, но эти ремни более рентабельны в течение всего срока службы из-за их повышенной прочности.

По сравнению с традиционными лентами без питания, более длительный срок службы многослойных металлических лент и меньшие требования к очистке и техническому обслуживанию помогают компенсировать первоначальные затраты и делают их лучшим вариантом в долгосрочной перспективе.

Металлические ремни могут деформироваться и не подлежат ремонту при неправильном использовании или сильных ударах. Защита металлических лент, одно- или многослойных, от повреждений такого типа является ключом к обеспечению длительного срока службы ремня.

Многослойные металлические ремни в действии

Фирма пыталась получить апробированные и коммерциализированные новые технологии для робототехники. Проекты включали новые способы подъема и поворота тяжелых грузов в области складирования, логистики, медицины и пищевой промышленности.

Фирма работала над одной машиной, на которой использовалась однослойная металлическая лента, изготовленная из металла местного производства. Ремень имел ширину 6 мм и толщину 0,2 мм, но он выходил из строя, когда крутящий момент на ремне превышал 25 Нм. Затем клиент работал с командой инженеров Belt Technologies.

Одна из проблем заключалась в том, что они не могли изменить диаметр шкива. Итак, команда разработала и изготовила ленту из нержавеющей стали с шестью слоями, каждый толщиной 0,125 мм. Это позволяет машине выдерживать требуемый крутящий момент 150 Нм без увеличения напряжения изгиба.Следовательно, общие нагрузки на ремень уменьшаются, что увеличивает срок его службы.

Фирма увидела успех прототипа ремня, который в основном использовалась для демонстрации, и заказала версии новых металлических ремней с немного измененной длиной для использования в устройствах здравоохранения.

Говоря о применении в здравоохранении, металлические ремни позволяют производителям медицинского оборудования соблюдать правила безопасности для конвейерных лент с приводом от двигателя в фармацевтической и медицинской областях. Металлические ремни, в отличие от пластиковых или резиновых версий, противостоят бактериям, которые могут повредить фармацевтические препараты.Они также более гигиеничны в силу того, что их легче чистить и они устойчивы к воздействию воды и моющих средств.

Многослойные металлические ремни, занявшие нишу в робототехнике. Металлические приводные ленты открытой конфигурации, тип многослойной ленты, могут выполнять множество задач с практически нулевым люфтом, в том числе:

• Позиционирующие каретки
• Движущиеся роботизированные манипуляторы
• Изготовление ЖК-дисплеев
• Приводы оптических элементов

Они Правильно для вас?

Помимо большей прочности и гибкости, чем однослойные ремни, многослойные ремни обладают всеми характеристиками и преимуществами других цельнометаллических ремней, включая:

• Высокое соотношение прочности и веса
• Долговечность и более длинный ремень срок службы по сравнению с альтернативами
• Жесткий (не растягивающийся) для повышения точности
• Устойчивость к колебаниям температур
• Устойчивость к коррозии, ржавчине и перегреву

Многослойные ленты на конвейерах обеспечивают все преимущества однослойных металлических лент, одновременно добавляя дополнительную прочность и долговечность.

Кроме того, они:

• Не требуют смазки
• Соответствуют самым строгим требованиям USDA для производства продуктов питания
• Обеспечивают высокую точность и повторяемость
• Непористые и устойчивы к поверхностным повреждениям
• Имеют широкие возможности настройки для различных отраслей промышленности и приложения
• Не образуют частиц, таких как HTD или плоские неопреновые ленты, поэтому они хорошо подходят для чистых помещений.

Денис Ганьон – генеральный директор, а Алан Воски – президент Belt Technologies Inc.в Агаваме, Массачусетс. Свяжитесь с ними здесь.

Эта футболка использует тепло вашего тела для выработки электричества

Что, если ваша утренняя пробежка по парку может генерировать электричество, которое затем может зарядить батареи или, возможно, даже привести в действие телефон, с которым вы работаете? Возможно, вы носите подходящую футболку.

Исследователи из Университета Малаги в Испании и Итальянского технологического института разработали футболку, которая вырабатывает электричество за счет разницы температур между телом пользователя и окружающей средой. Это означает, что тепло тела, исходящее от вас, когда вы бегаете, гуляете или занимаетесь спортом, и разница между этим теплом и более холодной температурой окружающего воздуха может быть преобразовано в тепловую энергию.

В нашей жизни есть множество примеров использования тепловой энергии – солнце согревает нашу атмосферу, горелка печи нагревает кастрюлю с водой до кипения. Но есть также множество примеров потраченного впустую тепла или «отходящего тепла», которое представляет собой все неиспользованное тепло, выбрасываемое в окружающую среду машинами, электрическими процессами или даже деятельностью человека, которое можно использовать в качестве тепловой энергии.

Вы можете использовать это тепло, используя так называемый термоэлектрический эффект, который позволяет вам преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение. Если два проводника соединены и одна сторона нагрета, электроны начинают переходить к более холодной стороне, создавая ток, который течет по цепи. Некоторые материалы действуют как проводники, которые могут преобразовывать эту разницу температур в источник энергии. По словам исследователей, эта футболка улавливает тепло, исходящее от наших тел, которое в отличие от прохладного воздуха производит электричество.

Как правило, термоэлектрические материалы регенерируют отходящее тепло от таких вещей, как автомобили или промышленные процессы, и наиболее распространенные материалы, которые преобразуют эту тепловую энергию в электрический ток, часто являются дефицитными и не очень экологически чистыми (например, теллур, который встречается так же редко, как золото и платина). Они также дорогие, жесткие и токсичные, – объяснил Хосе Алехандро Эредиа, член факультета молекулярной биологии и биохимии Университета Малаги и один из авторов этого проекта, по электронной почте, то есть они не подходят для носимое приложение.

[Фото: любезно предоставлено Университетом Малаги]

Эредиа и другие исследователи хотели разработать «гибкие, биоразлагаемые и пригодные для носки материалы для [термоэлектрических] применений, которые могут генерировать электричество просто за счет разницы температур между телом и окружающей средой», и поэтому они стремились заменить эти обычные жесткие и дорогие материалы недорогими альтернативами, такими как широко доступные углеродные наночастицы (например, графен и углеродные нановолокна), которые работают как термоэлектрические генераторы.

Проблема, однако, заключалась в том, чтобы прикрепить эти материалы к хлопковой футболке, и для решения этой проблемы исследователи создали раствор из кожуры помидоров, который мог проникать в хлопок и придавать эти электрические свойства ткани с помощью биоразлагаемых веществ. Почему кожура помидора? «Это каким-то образом был клей на биологической основе», – говорит Эредиа. Кроме того, использование кожуры помидоров дает еще один экологический бонус. «Интересно, что эта кожица является недорогим побочным продуктом переработки томатов. В этом смысле, с точки зрения экономики замкнутого цикла, мы даем вторую жизнь этому остатку.

Конечным результатом является жидкий раствор, состоящий из кожуры помидора и углеродных наночастиц, который можно распылить на обычную футболку, создав «электронный текстиль». Heredia говорит, что они проверили устойчивость этих материалов к циклам стирки одежды и дали многообещающие результаты. «Тем не менее, – добавляет он, – мы уже работаем над улучшенной версией, которая будет полностью пригодна для стирки и глажки».

Для этого прототипа электронного текстиля исследователи использовали углеродную проводящую ленту для соединения футболки с внешними проводами, чтобы показать, что она может вырабатывать электричество – рубашка могла включать светодиодный свет – но в настоящее время нет возможности для этого. ткань для хранения этой энергии.Heredia надеется развить это в будущем.

«Для начала, мы думаем, что эта ткань может быть использована в нишевых приложениях, например, для сбора энергии в экстремальных ситуациях (космические и военные миссии), но потенциально, при небольшом дальнейшем развитии, она также может быть применена в индустрии моды. , – говорит Эредиа. Существует также возможность интегрировать дополнительные функции непосредственно в ткань, такие как освещение, датчики и Wi-Fi (в предыдущем исследовании они создали антенну Wi-Fi из кожуры помидоров и графена).

Исследователи работают над способами зарядки сотового телефона без зарядного устройства или создания света, чтобы футболка стала светоотражающей.