Преобразование тепла в электроэнергию: Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество

Содержание

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.

11719

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.

Facebook117Вконтакте19WhatsAppTelegram

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

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

УДК 621.382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

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

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

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

Е-mail: [email protected]

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

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

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

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

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

E-mail: [email protected]

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

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

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

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

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

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

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Библиографические ссылки

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

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

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

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

Создан материал, превращающий тепло в электричество с рекордной эффективностью

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

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

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

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

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

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

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

Инновационный материал поставил рекорд преобразования тепла в электричество

Австрийские ученые разработали новый материал, способный генерировать электроэнергию за счет разности температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам самим обеспечивать себя энергией без подключения к сети.

Преобразование тепловой энергии в электрическую происходит за счет так называемого эффекта Зеебека: напряжение возникает, если на обоих концах материала образуются разные температуры. Объем электрической энергии, которая при этом выделяется, измеряется значением ZT: чем оно выше, тем лучше термоэлектрические свойства материала.

До настоящего времени самый высокий коэффициент ZT термоэлектриков был от 2,5 до 2,8. Но ученые Венского технического университета создали композит на основе кристалла кремния, на который нанесен тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, с показателем ZT от 5 до 6.

«Материал с ярковыраженными термоэлектрическими свойствами должен демонстрировать сильный эффект Зеебека и при этом решать две противоположные задачи – проводить электричество как можно лучше, а тепло – как можно хуже», – отмечает профессор университета Эрнст Бауэр.

По словам ученого, атомы в этом материале обычно располагаются строго регулярным образом в гранецентрированной кубической решетке. Это значит, что расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково. Однако, при нанесении тонкого композитного слоя на кремний, происходит удивительное: структура кардинально меняется и распределение атомов разных типов становится совершенно случайным.

Читайте также: Как получать электроэнергию из огня и воды показал житель Баку

Инновационный материал показал такую эффективность, которая позволяет применять его для питания компьютерных процессоров и небольших датчиков. Таким образом, его характеристики идеальны для электронных девайсов интернета вещей.

Например, два атома железа могут находиться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует никаких правил, определяющих, где будет находиться следующий атом железа в кристалле. Такое чередование регулярности и нерегулярности расположения атомов также варьирует структуры электронов, что определяет их направления перемещения в твердом теле. Электрический заряд проходит через материал особым образом, как фермионы Вейля, проходя сквозь препятствие либо обтекая его. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, из-за неравномерностей в кристаллической структуре колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, замедляются и теплопроводность уменьшается. Очень важно при этом поддерживать разность температур, так как при равномерной температуре материала термоэлектрический эффект прекращается.

Конечно, из-за того, что слой материала очень тонкий, он не может генерировать большое количество энергии, но его преимущество в том, что он может быть использован как мини батарейка для автономного питания сенсоров и компактных электронных устройств, которые становятся все более востребованным в Интернете вещей.

Читайте также: Ученые нашли новый способ получения электричества из тепла

Источник: tuwien.at

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Новый механизм преобразования солнечного света и тепла в электричество

Николас Мелош, исследователь Стэнфордского Университета продемонстрировал новый механизм преобразования солнечного света и тепла в электричество с помощью разработанного им устройства.

Устройство нового типа, использующее одновременно энергию света и тепловую энергию, обещает новые возможности в преобразовании энергии Солнца в электричество.

Принцип действия нового прибора основан на физических явлениях открытых учеными Стэнфорда. В прототипе нового преобразователя солнечный свет возбуждает электроны в специальном электроде, а избыточное тепло перебрасывает эти электроны на другой электрод в вакууме, создавая электрический ток. По задумке ученых, неиспользованная тепловая энергия будет использована для нагрева теплоносителя парового двигателя. Такая конструкция позволит преобразовывать рекордные 50% энергии солнечного света в электричество. На сегодня, теоретический предел фотоэлектрических элементов едва дотягивает до 29% КПД преобразования, а лучшие серийные образцы показывают 22%.

Обычные же солнечные батареи из кристаллического кремния эффективны лишь на 15%. Большая часть всей солнечной энергии теряется в виде тепла. Это происходит потому, что такая солнечная ячейка использует лишь часть светового спектра, фотоны же ниже определенного энергетического уровня просто разогревают пластину.

Один из способов использовать большую часть светового потока – это создание многослойных структур, каждый слой которых воспринимает свою часть спектра, тем самым увеличивая общую эффективность преобразования до 40% (сегодня это 35,8%). Недостаток этой технологии – очень высокая стоимость и сложность производства.

В поисках нового метода преобразования солнечного света и тепла в электричество Николас Мелош обратил внимание на высокоэффективную комбинацию паровой турбины и парового двигателя, который использует побочное тепло. Но термальная энергия плохо комбинируются с фотоэлектрическими элементами, так как увеличение температуры приводит к увеличению эффективности теплового преобразователя, но сильно снижает КПД кремниевой пластины.

Идея использования разогретого электрода для получения электроэнергии в вакууме не нова. Подобные конверторы (thermionic energy converter) использовались российскими спутниками, но не нашли применения на земле, так как для эффективной работы требовалась очень высокая температура, около 1500 С. Катод этих термических преобразователей обычно создавался с использованием цезия.

Группа ученых под руководством Мелоша заменила катод из цезия на «сэндвич» из полупроводникового материала, который мог использовать как световую, так и тепловую энергию для преобразования. Когда свет попадал на катод, он начинал работать как обычный фотоэлектрический элемент из кристаллического кремния, чего не происходило в катодах, выполненных из металла в прошлом. Далее не требовалось большого количества тепла, чтобы перевозбужденные электроны начинали перепрыгивать на анод. Таким образом, новая система позволяла эффективно работать при более низких температурах, чем в классическом теплоэлектронном преобразователе, но при более высоких температурах, чем обычная фотоэлектрическая пластина.

Ученые назвали новый механизм PETE – photon-enhanced thermionic emission, или теплоэлектронный преобразователь, улучшенный фотонами.

Прототип устройства был описан в журнале Nature Materials. Использование нитрида галлия в качестве полупроводникового катода, позволило получить впечатляющий коэффициент полезного действия около 25% при температуре 200 С, температуре, при которой обычный фотоэлектрический элемент вообще перестает работать, в новом преобразователе КПД продолжал расти с увеличением температуры.

Сейчас ученые Стэнфорда продолжают экспериментировать с более подходящими материалами для создания более качественного катода, включая кремний и арсенид галлия. Следующий прототип должен будет работать при температурах 400-600 С, а для создания достаточной температуры и солнечного потока ученые используют солнечные концентраторы, которые сфокусируют плотный поток световой энергии на катод устройства.

Не смотря на высокий КПД, фотонный теплоэлектронный преобразователь будет выделять больше тепла, чем он сможет использовать, поэтому Мелош и предлагает использовать избыточное тепло для генерирования электричества с помощью паровой машины, подняв совокупный КПД системы до 50%.

Ученый надеется, что в течение трех лет его изобретения будет доведено до готовности внедрения в массовое производство.

В России разработали установку для превращения энергии ветра в тепло

В России разработали установку для превращения энергии ветра не в электроэнергию, как это происходит в традиционной ветроэнергетике, а в тепло. Это может решить проблему теплоснабжения удаленных населенных пунктов и сэкономить десятки миллиардов бюджетных средств.

Ветроэнергетика пока развивается по привычной траектории: ветровые станции вырабатывают электричество. Но энергия ветра может быть преобразована и в тепловую энергию. Это направление ее использования может получить развитие в России. Красноярское предприятие ОКБ «Микрон» (член РАВИ, входит в группу компаний «Канекс», производителя оборудования для горнодобывающей промышленности) намерено создать тепловетрогенерационный комплекс (ТВГ), включающий в себя помимо собственно ветровой станции еще и систему хранения тепловой энергии. Необходимые патенты уже получены, недавно под проект была зарегистрирована торговая марка «Терус». В компании утверждают, что подобной установки в мире пока никто не сделал, и планируют создать первый опытный образец уже в следующем году.

В вихре токов

«Мы насчитали минимум восемь вариантов получения тепла от энергии ветра. Самый простой — примитивное трение стали по стали, когда вращение лопастей передается на стальной диск, который крутится по другому диску, и с него уже снимается тепло, — говорит гендиректор «Канекса» Александр Канцуров, — и даже при этом способе, по нашим расчетам, можно работать тринадцать лет без замены диска. Он не износится. Но остановились мы на магнитном поле: вокруг статора вращается ротор, на роторе магниты, возникает магнитное поле, и вихревые токи, или токи Фуко, нагревают статор. В статор заведена труба с жидкостью, которая, проходя через него, забирает на себя тепло».

По утверждению специалистов компании, коэффициент преобразования механической энергии в этой установке будет достигать 95%. Остальная часть уйдет на дополнительно установленный маломощный электрогенератор, а получаемая от него электроэнергия будет использована для обеспечения работы всего комплекса — освещение, насосы и прочее.

Дмитрий Салов, гендиректор «Микрона», начал разработку устройства для преобразования энергии ветра в тепло еще двадцать лет назад: «Ветроэнергетика была отчасти моим хобби, я, как инженер-любитель, увлекался идеями “зеленого чистого мира”. Но ввиду того, что экономика ветроустановок не очень простая, разработка лежала на полке очень долго, и лишь три года назад мы в “Микроне” вплотную занялись ее реализацией».

Сразу было понятно, что экономика такой тепловетрогенерации не выглядит убедительной для применения на территориях, покрытых единой энергосистемой, скорее она востребована в изолированных системах. Начать применение своей технологии в «Терусе» планируют именно с изолированных, отдаленных поселков, где тепло вырабатывается автономно котельными, работающими на привозном угле или мазуте.

Источник: expert.ru

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 определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

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

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

Путь, пройденный свободно

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию градиента температуры – 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, рикошетирующие от стенки, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега пострадают гораздо меньше.

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

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

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности напряжений и, следовательно, на электрический ток. Эти низкоэнергетические электроны также имеют 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 считаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих приложений», – говорит Лю.

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

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

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

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

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

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

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

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

«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 многократных итераций и уточнений в экспериментах, которые были трудоемкими и дорогостоящими. 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 расчеты помогли нам найти подходящие материалы для испытаний », – сказал Накацудзи.«Расчеты из первых принципов, основанные на квантовой механике, сокращают процесс анализа электронных структур, которые мы называем узловыми паутинами, которые имеют решающее значение для наших экспериментов».

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

###

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

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

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 утилизировать. 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 IO в Telegram!

Хотите вдохновляться 365 дней в году? Вот возможность. Мы предлагаем вам один «источник инноваций» в день в компактном сообщении Telegram. Семь дней в неделю, доставка около 20:00. CET. Прямо из нашей редакции. Подпишитесь здесь, это бесплатно!

Подписаться!

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 небольшой разнице 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 передачу тепла.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, по их словам, электрические характеристики отдельных устройств 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 выходной 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 тонких магнитных пленках, свойства которых сильно зависят от температуры. © IMT / KIT

Новый сплав превращает тепло напрямую в электричество – Electric Choice

Исследователи из Университета Миннесоты успешно изготовили новый сплав под названием Ni45Co5Mn40Sn10, который преобразует тепло в электричество. Сплав состоит из мультиферроидных композитов, таких как никель, кобальт, марганец и олово.Мультиферроидные металлы обладают редкими, уникальными магнитными и электрическими свойствами, проявляя более чем одно ферроидное свойство в одной фазе преобразования.

Ni45Co5Mn40Sn10 в стабильном, нетронутом состоянии представляет собой немагнитный материал, который становится сильно магнитным при воздействии высокой температуры. На видео ниже исследователи из Университета Миннесоты показывают, как Ni45Co5Mn40Sn10 сначала представляет собой немагнитный материал, а затем внезапно становится сильно магнитным по мере нагрева металла. Когда это происходит, он перепрыгивает на постоянный магнит.Это представляет собой прямое преобразование тепла в кинетическую энергию. Когда этот металл становится сильно магнитным, он вводит электричество в прикрепленную катушку. По словам исследователей из Университета Миннесоты, «этот процесс включает поглощение тепла, вызванное быстрыми преобразованиями между твердыми состояниями, которые, в свою очередь, производят электричество. Он способен преобразовывать отходящее тепло, выделяемое из выхлопных труб автомобилей или кондиционеров, непосредственно в электричество. Нажмите ниже, чтобы увидеть этот сплав в действии.

Новый сплав превращает тепло в электричество

Ni45Co5Mn40Sn10 преодолел свое первое препятствие в лаборатории, сведя к минимуму процесс гистерезиса, который представляет собой потерю тепловой энергии при ее преобразовании в электричество. Минимизируя потери тепла, ученые Университета Миннесоты смогли улавливать и сохранять тепловую энергию этого процесса; доказывая, что ненужная энергия может быть преобразована в электричество. По словам Ричарда Джеймса, главы исследовательской группы и профессора аэрокосмической техники и механики в UM.«Это исследование очень многообещающее, потому что оно представляет совершенно новый метод преобразования энергии, который раньше никогда не применялся». Он добавил: «Это также самый« зеленый »способ производства электричества, поскольку он использует отработанное тепло для производства электричества без углекислого газа».

Сегодня более половины мировой энергии производится за счет ископаемого топлива, и при этом теряется много тепловой энергии. Достижение низкого гистерезиса предполагает высокую эффективность при использовании этого нового сплава, что делает его практичным для многих приложений.Очевидным применением будет установка в выхлопных трубах транспортных средств и механизмов. Многие автопроизводители по всему миру уже работают над устройствами, которые могут преобразовывать горячий выхлоп автомобиля в полезную электроэнергию. Материал также может быть использован на электростанциях с когенерационными платформами, которые предназначены для комбинированной теплоэнергетики или даже в качестве генератора геотермальной энергии. Геотермальная энергия присутствует при очень низкой температуре и требует огромного количества энергии для преобразования пара в электричество.Этот сплав потенциально может способствовать использованию геотермальной энергии, что делает его эффективным и удобным источником для крупномасштабных операций.

Следующим шагом будет проведение обширных исследований и разработок для изучения практических применений, эффективных производственных возможностей, ограничений свойств сплава и производительности этой новой системы преобразования энергии. Кроме того, мы надеемся, что они придумают более короткое название, пока они это делают.

Применение отработанного тепла в электроэнергию растет

Недавний отчет Global Marketing Insights выявил потенциальное использование отработанного тепла для производства электроэнергии в различных отраслях промышленности.Увеличение количества установок нагревательных устройств в коммунальных, промышленных и коммерческих приложениях, наряду с растущим вниманием к сокращению расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание, приведет к увеличению размера рынка утилизации отработанного тепла в электроэнергию. Строгие правительственные постановления по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ) в сочетании с текущими мерами по энергосбережению еще больше дополнят перспективы развития бизнеса.

В 2014 году Европейский Союз в рамках концепции климата и энергетики до 2030 года поставил цель сократить выбросы парниковых газов на 40% по сравнению с уровнем 1990 года. Рисунок 1 показывает размер рынка в 2016 году и прогнозы на 2024 год.

1. Показан объем рынка отходящего тепла в США в зависимости от приложения. Синий цвет представляет 2016 год, а серый – прогноз на 2024 год.

Стремительная индустриализация и урбанизация наряду с растущим спросом на экологически чистую топливную энергию также подтолкнут рынок утилизации тепла для производства электроэнергии. А замена и модернизация существующих электростанций эффективными системами еще больше расширит ассортимент продукции.В марте 2017 года правительство Китая объявило, что потратит 2,17 триллиона долларов США на инфраструктурные и транспортные проекты в рамках своего 13-го пятилетнего плана.

Растущий спрос на электроэнергию в сочетании с неустойчивыми ценами на ископаемое топливо будет способствовать росту рынка утилизации тепла для производства электроэнергии. Растущий спрос на утилизацию отходящего тепла со стороны коммерческого и промышленного секторов для снижения счетов за электроэнергию будет еще больше дополнять рост отрасли. По данным Управления энергетической информации США, в 2016 году коммерческий и промышленный сектор потребили около 4450 триллионов БТЕ энергии.

Взгляд на технологию

Важным фактором при выработке тепла из отходящего тепла (WHP) являются термодинамические ограничения на выработку электроэнергии при различных температурах. Эффективность выработки электроэнергии зависит от температуры источника отходящего тепла. Как правило, выработка электроэнергии из отходящего тепла ограничивается только источниками отходящего тепла со средними и высокими температурами. Однако развитие альтернативных энергетических циклов может повысить возможность выработки электроэнергии при низких температурах.

В большинстве современных энергетических систем с утилизатором тепла используется жидкая рабочая жидкость, которая нагнетается до повышенного давления перед подачей в котел-утилизатор. Жидкость под давлением испаряется с использованием энергии, улавливаемой из отходящего тепла, а затем расширяется до более низкой температуры и давления в турбине, генерируя механическую энергию, которая приводит в действие генератор переменного тока. Затем рабочая жидкость низкого давления выпускается в конденсатор, где тепло отводится путем конденсации пара обратно в жидкость. Затем конденсат из конденсатора возвращается в насос, и цикл повторяется.

Рабочая жидкость в органическом цикле Ренкина (ORC) представляет собой углеводород, такой как гидрофторуглерод или аммиак. Эта конструкция ORC состоит из испарителя («котла»), детандера («турбины»), подогревателя, конденсатора и регенератора (рис. 2) . Регенератор повышает эффективность за счет предварительного нагрева рабочей жидкости энергией, которая в противном случае была бы отклонена. Рабочая жидкость в машине ORC обычно имеет более низкую температуру кипения, чем вода.

2 . Это базовая система выработки тепла с использованием органического цикла Ренкина.

Жидкости, используемые в ORC, обладают термодинамическими свойствами, которые позволяют работать с источниками отходящего тепла, имеющими температуру около 200 ° F или даже ниже. Однако работа при таких низких температурах обычно рентабельна только при использовании потока жидких отходов, что позволяет использовать теплообменник жидкость-жидкость. Для горячих выхлопных газов промышленного процесса для коммерчески доступных технологий обычно требуется температура не менее 500 ° F.

Global Insights заявила, что, по прогнозам, к 2024 году доля рынка ORC WHP вырастет более чем на 17%. Простота паритета с различными источниками тепла, низкие эксплуатационные расходы и меньшее использование пространства – вот некоторые из ключевых особенностей, которые делают его внедрение предпочтительным по сравнению с другими альтернативами. . Растущий спрос на низкопотенциальную рекуперацию тепла и внедрение систем на децентрализованных электростанциях малой мощности будет стимулировать проникновение продукта.

Другой текущий процесс WHP использует цикл Калины, который является разновидностью цикла Ренкина.В качестве рабочей жидкости используется пара бинарных жидкостей (обычно вода и аммиак). В дополнение к классическим компонентам четырехступенчатого цикла Ренкина (испаритель, турбина, конденсатор, компрессор) существует подсистема дистилляции-конденсации, состоящая из ряда сепараторов, теплообменников и насосов.

Цикл Kalina специально разработан для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, оптимизирован для использования с источниками тепла, которые имеют относительно низкую температуру по сравнению с температурой радиатора (или окружающей среды).Основное различие между циклом Ренкина с одной жидкостью и циклом Калины – это температурный профиль во время кипения и конденсации. В циклах ORC, когда тепло передается рабочей жидкости, ее температура медленно повышается до температуры кипения, после чего температура остается постоянной до тех пор, пока вся жидкость не испарится.

Напротив, бинарная смесь воды и аммиака цикла Kalina (каждый из которых имеет разную температуру кипения) будет повышаться в температуре во время испарения.Этот процесс обеспечивает лучшее тепловое согласование с источником отходящего тепла и охлаждающей средой в конденсаторе в противоточных теплообменниках. Следовательно, эти системы обладают относительно хорошими показателями энергоэффективности по сравнению с другими термодинамическими циклами WHP.

Эффективность работы системы WHP цикла Kalina составляет около 15% при температуре источника тепла 300 ° F. Поскольку фазовый переход от жидкости к пару происходит не при постоянной температуре, температурные профили горячей и холодной жидкости в теплообменнике могут быть более близкими, что увеличивает общую эффективность.

Термоэлектрические методы

Другой подход к преобразованию отработанного тепла в энергию – использование термоэлектрического модуля (ТЕМ). В TEM используется термоэлектрический генератор, который представляет собой твердотельное устройство, которое преобразует разницу температур непосредственно в электрическую энергию посредством явления, называемого эффектом Зеебека. TEM выдает выходной сигнал постоянного тока, который необходимо подавать на инвертор, чтобы получить выход переменного тока. Для получения соответствующего выхода переменного тока для нагрузки обычно требуется несколько ТЕА.

ТЕМ создает выходное напряжение из разницы температур. У него есть горячая сторона (контактирующая с источником тепла) и холодная сторона (обычно атмосфера). Полупроводниковые материалы N- и P-типа работают вместе, чтобы управлять потоком электронов, возникающим в результате температурного градиента между холодной и горячей сторонами. Термоэлектрические пары расположены термически параллельно и электрически последовательно, заканчиваясь парой выводов. Напряжение на выводах зависит от конструкции модуля. Он пропорционален коэффициенту Зеебека (S) и разности температур (ΔT), V = S (ΔT)

Для выработки электричества термоэлектрическому модулю требуется большой температурный градиент, что технически сложно реализовать.В системе выработки энергии тепло для горячей стороны этого температурного градиента должно эффективно поступать от источника тепла.

Холодная сторона должна охлаждаться воздухом, водой или другой подходящей средой. Для обеспечения этого нагрева и охлаждения используются теплообменники как с горячей, так и с холодной стороны. Электроэнергетическую систему TEM можно представить как два теплообменника, каждый из которых должен отводить тепло к горячей (или холодной) стороне термоэлектрических модулей (или от нее).

Максимальное повышение эффективности термоэлектрической системы выработки энергии требует обширного инженерного проектирования.Компромиссы между общим тепловым потоком через термоэлектрические модули и максимальным градиентом температуры через них должны быть сбалансированы.

ТЕА

имеют ряд преимуществ:

Твердотельная конструкция не содержит движущихся частей, что обеспечивает более высокую надежность
Установки можно устанавливать в любом положении
Устройства безвредны для окружающей среды, поскольку в них не используются CFC, а электрический шум минимален.
TEM могут использоваться в качестве сборщиков энергии, превращая отработанное тепло в полезную выходную мощность постоянного тока

Alphabet Energy (Хейворд, Калифорния.) использует термоэлектрические модули для отвода отработанного тепла. «Колпачок» PGC Alphabet прикрепляется к верхней части камеры сгорания, улавливает высокотемпературное выхлопное тепло (в диапазоне входящего топлива и температур сгорания) и передает тепло через PowerModules Alphabet Energy, каждый из которых содержит теплообменники и запатентованный термоэлектрический материал (Рис.3) . PGC преобразует тепло выхлопных газов из камеры сгорания в непрерывную электрическую энергию, при этом удовлетворяя требованиям сгорания, и все это с улучшенной эффективностью сгорания.Резервные батареи и система подачи газа в трубопровод обеспечивают непрерывную выходную мощность.

3. Alphabet Energy PowerCard-γ – это термоэлектрическое устройство, в котором используются современные термоэлектрические материалы, а именно тетраэдрит и станнид силицида магния.

Термоэлектрический материал PowerBlocks, запатентованный компанией, на основе нанотехнологических исследований, проведенных Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли и Университета штата Мичиган, а также с более чем 60 выданными и зарегистрированными патентами, является ключом к преобразованию отработанного тепла в электрическую энергию.

Новое поколение термоэлектрических материалов вызывает растущий интерес к утилизации отходящего тепла и автономному контролю температуры в Европе. Государственные исследовательские институты и промышленные исследовательские группы участвуют в проекте INTEGRAL, посвященном изучению этого нового поколения термоэлектрической технологии. Он использует существующие и развивающиеся пилотные производственные линии для работы на массовых рынках (транспорт, обрабатывающая промышленность) и производит современные функциональные материалы с индивидуальной электрической и теплопроводностью.

Кроме того, крупномасштабные производственные процессы, которые должны быть разработаны для производства наноструктурированных материалов в рамках проекта, охватывают несколько секторов, чтобы найти широкий спектр приложений за пределами термоэлектричества, то есть там, где требуется настройка электрических или тепловых свойств спеченных или литых материалов.

Промышленное применение

Эти системы в основном используются для выработки электроэнергии путем улавливания тепла, выбрасываемого существующим процессом.В основном они используются в таких отраслях, как нефтеперерабатывающая промышленность, химическая промышленность, производство первичных металлов, неметаллических минералов, готовых металлов и бумажной промышленности. Растущий спрос на электроэнергию в развивающихся странах наряду с ростом цен на электроэнергию в развитых странах будет способствовать дальнейшему увеличению проникновения продукции.

В 2016 году на долю цемента приходилось более 22% доли мирового рынка WHP. Рост инвестиций в развитие инфраструктуры в сочетании с ориентацией отрасли на удовлетворение спроса на энергию за счет использования остаточного тепла будет способствовать дальнейшему росту.Внедрение этих систем снизит общие эксплуатационные расходы, что увеличит проникновение продукта в прогнозируемые сроки. В среднем на электроэнергию приходится примерно четверть общих эксплуатационных расходов цементного завода, где система УДГ может генерировать около 30% общей потребности в электроэнергии.

Согласно прогнозам, к 2024 году объем применения нефтепереработки превысит 4 миллиарда долларов США. Растущий спрос на нефтепродукты наряду с растущими мерами по энергосбережению будет подпитывать рынок WHP.Повышение цен на электроэнергию в сочетании с введенными в действие нормативными актами по контролю за выбросами будет способствовать дальнейшему росту бизнеса. В январе 2017 года мощности по перегонке сырой нефти в США достигли 18,6 миллиона баррелей в календарный день, что на 1,6% выше по сравнению с 2016 годом.

Растущие меры по энергосбережению в сочетании с увеличением инвестиций в экологически чистые энергетические технологии также будут способствовать увеличению размера рынка WHP в США. Повышенная потребность в расширении и модернизации существующего промышленного оборудования в связи со строгими государственными стандартами выбросов будет способствовать дальнейшему росту бизнеса.Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ввело национальные стандарты выбросов в соответствии с Законом о чистом воздухе, чтобы ограничить выбросы опасных загрязнителей воздуха, таких как диоксид углерода, ртуть и твердые частицы.

Прогнозируется, что к 2024 году объем рынка ВЭУ

в Великобритании превысит 500 МВт. Благоприятная государственная политика по внедрению энергоэффективных систем, наряду с растущими опасениями по сокращению выбросов углерода, улучшат перспективы отрасли. В Европе производители должны соблюдать Директиву о промышленных выбросах (Директива 2010/75 / ЕС), принятую 24 ноября 2010 г., с целью регулирования выбросов загрязняющих веществ промышленными установками.

Рост инвестиций в химическую промышленность в сочетании с позитивным прогнозом в отношении производства тяжелых металлов и цемента, вероятно, будет стимулировать рост рынка WHP в Китае. Страна занимает доминирующее положение в мировой химической промышленности, что, вероятно, приведет к увеличению спроса на продукцию. Рост цен на энергоносители наряду с активизацией мер по сокращению углеродного следа еще больше улучшит перспективы отрасли.

Ожидается, что к 2024 году рынок WHP Саудовской Аравии вырастет более чем на 14%.Увеличение инвестиций в отрасли по опреснению воды наряду с растущим спросом на электроэнергию должно улучшить бизнес-ландшафт. В январе 2016 года Саудовская корпорация по конверсии соленой воды (SWCC) объявила, что к 2025 году инвестирует около 80 миллиардов долларов США в производство опресненной воды.

Доля рынка

Известные игроки на рынке WHP включают Siemens, Thermax, ABB, Mitsubishi, Ormat, Amec Foster Wheeler, ElectraTherm, Kalina Power, Cyplan, AQYLON, Enogia SAS, Triogen и Echogen.

Достижения в области технологий рекуперации низкопотенциального тепла вместе с продуктами с широкими возможностями настройки для нескольких промышленных применений привели к созданию конкурентоспособного промышленного сценария. Эффективная техническая и послепродажная поддержка в сочетании с более быстрым временем выполнения заказа еще больше улучшит перспективы бизнеса.

Надежный способ превратить тепло в электричество

Множество сложных проблем связано с анализом сети – все, от того, как вирусы распространяются среди населения, до выбора наиболее эффективного маршрута для перехода к нескольким точкам в сети (например, автомобильным или железным дорогам). ), чтобы вычислить наименьшее количество мутаций, необходимых для преобразования одной цепочки ДНК в другую.

Чтобы упростить задачу решения этих ресурсоемких сетевых проблем без использования программного обеспечения, исследователи из Национального технологического института (NIST) разработали электронное оборудование, которое копирует архитектуру сети. Подобно аналоговому компьютеру, он затем применяет логику гонки для быстрого решения множества сложных головоломок с минимальными затратами энергии по сравнению с компьютерами общего назначения.

На этой схеме сетевой проблемы показано расстояние в милях между городами A, B, C, D и E.Три грузовика, каждый из которых проезжает одну милю в час, пробегают разные пути в гонке, чтобы за минимальное время добраться из города A в город E.

Логика Race кодирует информацию иначе, чем в стандартном компьютере. Цифровая информация обычно кодируется и обрабатывается с использованием компьютерных битов, где «1» указывает на то, что логическое утверждение истинно, а «0» – на ложное. Когда бит меняет свое значение, скажем, с 0 на 1, это означает, что для решения математической задачи была выполнена определенная логическая операция.

В отличие от этого, логика гонки кодирует и обрабатывает информацию, представляя ее в виде сигналов времени, то есть времени, когда конкретная группа битов изменяется или переворачивается с 0 на 1. Большое количество переворотов битов является основной причиной стандартных компьютеров. использовать столько энергии. Логика гонки кодирует сигналы, закодированные во времени, что включает только несколько битов переворотов для обработки информации, поэтому она потребляет гораздо меньше энергии, чем сигналы, закодированные как 0 или 1.

Через час красный грузовик находится на полпути к городу B, а синий грузовик – на четверти пути к городу C.И зеленый грузовик добрался до города D и потребовал, чтобы он стал зеленым.

Затем устройство NIST выполняет вычисления, добавляя задержки к сигналам времени на основе анализируемой сети. Например, представьте себе парк грузовиков в городе A, который должен доставить лекарства в город E как можно быстрее – относительно простая проблема. Возможные маршруты проходят через город B, город C и город D.

Чтобы определить наиболее эффективный маршрут, оборудование логики гонки оценивает каждый возможный сегмент поездки, например, от A к B и от A к D.Если путь от A до B занимает больше времени, чем от A до D, потому что это более длинный путь или больший объем трафика, оборудование назначает от A до B большее время задержки. В аппаратном обеспечении команды временные задержки создаются за счет добавления сопротивления более медленному сегменту.

Через два часа красный грузовик добрался до города B и забрал его за красный. Тем временем синий грузовик находится на полпути к городу C. Зеленый грузовик останавливается и отправляет два связанных грузовика (светло-зеленые).

Чтобы определить, какой маршрут к конечному пункту назначения самый быстрый, грузовики проезжают все возможные маршруты через различные промежуточные точки доставки.Итак, исследователи NIST вставили группу сигналов с временной кодировкой в исходную точку, каждый из которых действует как отдельный драйвер, который проходит через смоделированную аппаратную схему команды.

Каждый раз, когда водитель прибывает в промежуточные пункты назначения, модель отправляет новых водителей (то есть новые сигналы времени), которые расходятся в разные стороны к оставшимся пунктам назначения. Если водитель прибывает в пункт назначения, в котором уже был другой водитель, этот драйвер выпадает, потому что его путь больше не является конкурентоспособным.Победитель, первый водитель, прибывший на конец круга, проехал по кратчайшему маршруту, что является решением проблемы с сетью.

Через три часа красный грузовик захватил город B и отправил два грузовика (светло-красных), один в сторону города C, а другой – в сторону города E. Первым прибыл светло-зеленый грузовик, который забрал его. Другой светло-зеленый грузовик проехал две мили в сторону города E.

Через четыре часа передний светло-зеленый грузовик заходит в город C и отправляет желтый грузовик.Желтый достигает города E и требует его, тем самым устанавливая кратчайший путь из города A в город E: от A до D, от D до C и от C до E по всем заштрихованным путям. Синий и светло-красный грузовики прибыли в город C, но не могут двигаться дальше, потому что он уже был забран.

Моделирование, проведенное командой NIST, показало, что его конструкция, еще не реализованная в рабочем устройстве, может обрабатывать гораздо более широкий класс сетей и головоломок. Эти головоломки включают в себя поиск наилучшего выравнивания между двумя белками или двумя цепочками нуклеотидов (молекул, которые образуют строительные блоки ДНК) и определение кратчайшего пути между двумя пунктами назначения в сети.

Команда NIST показала, как использовать память, которая не использовалась в предыдущих устройствах с гоночной логикой, для создания более общего темпорального компьютера.

Есть ли способ преобразовать окружающее тепло в электричество? : askscience

Это скорее практические / инженерные вопросы, чем вопросы физики. Для извлечения энергии (в частности, электрической энергии) вам, скорее всего, понадобится двигатель, который приводит в действие электрический генератор / генератор переменного тока.

Двигатель использует термодинамический цикл (цикл Ренкина, цикл Брайтона и т. Д.), Который использует разницу температуры / давления для создания работы.Затем эта работа воздействует на генератор для производства электроэнергии.

Проблема здесь в том, что нам нужно производить работу из газа, когда он охлаждается / меняет давление и объем. Итак, вам нужно прохладное место, чтобы сбрасывать тепло. Для больших электростанций это обычно градирни или большой водоем. Даже если у вас есть доступный радиатор, у вас возникнут проблемы с энергоэффективностью.

Давайте сделаем некоторые очень простые числа:

Энергоэффективность двигателя Ренкина определяется как 1-Tcold / Thot, где T находится в Кельвинах.Итак, давайте возьмем нелепый лучший пример: у вас день 40C (105F ish), а подземная вода, до которой вы охлаждаете, составляет, скажем, 12C, ваш максимальный КПД при обогреве будет 1- (285/313) или около 9%. !!!. Это действительно плохо! Затем вы считаете, что есть потери в подшипниках и, возможно, КПД 85% от вашего генератора к генерации электроэнергии. Таким образом, общая электрическая эффективность составляет около 7,6% на количество энергии, которое вы можете получить из воздуха.

Если вы считаете, что автомобиль / бензин обычно имеет КПД> 20-30%, вы поймете, почему намного проще использовать топливный двигатель, а выработка электроэнергии просто невозможна при таком низком КПД.

С точки зрения затрат, стоимость и размер вашего оборудования будут в значительной степени зависеть от размера тепловой нагрузки, а НЕ от размера электрической нагрузки. Например, электрогенератор, который вырабатывает 1 ГВт мощности с КПД 25%, будет вырабатывать 4 ГВт энергии, 3 ГВт из которых уходят на тепло. Это означает, что мощность системы отопления / охлаждения составляет 4 ГВт, а мощность некоторого электрического оборудования – 1 ГВт. Итак, вы можете видеть, что эффективность имеет решающее значение для общей стоимости проекта.