Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Термоэлектрогенератор

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

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

По виду источника тепла различают несколько типов термоэлектрогенераторов:

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

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

·         Атомные. В качестве энергии используется тепло атомного реактора.

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

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

Главное преимущество термоэлектрогенераторов заключается в их высоком КПД: атомные и изотопные генераторы достигают КПД в 95-98%, а средний уровень КПД таких генераторов держится на уровне 65-70%, что является очень высоким показателем. Кроме того, в качестве источника тепла в таких устройствах могут быть использованы различные вещества, что повышает технологичность генератора.

Ещё одним достоинством этого типа генераторов можно назвать широкий диапазон температур, в котором эти устройства могут работать.

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

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

Термоэлектрогенераторы | ЭМИС

Отдел продаж

По вопросам приобретения контрольно-измерительного оборудования Вы можете обратиться к сотрудникам отдела продаж посредством “Skype”. Свяжитесь с нами в режиме онлайн!

Васюкова Юлия Павловна Заместитель коммерческого директора Вопросы по приобретению оборудования
Гавриков Андрей Юрьевич Начальник отдела продаж №1 Вопросы по приобретению оборудования
Гофман Анна Валерьевна Начальник отдела продаж №2 Вопросы по приобретению оборудования
Степанов Евгений Евгеньевич Руководитель дилерской сети Вопросы по работе с дилерской сетью

Центральный федеральный округ

Разгуляев Вячеслав Валерьевич Менеджер ОП №1 Костромская область
Зырянова Лариса Владиславна Менеджер ОП №1 Москва и Московская область
Удалова Татьяна Александровна Менеджер ОП №1 Калужская, Смоленская, Тверская области
Иванова Екатерина Александровна Менеджер ОП №1 Брянская, Владимирская, Ивановская, Рязанская, Тульская, Ярославская области

Северо-Западный федеральный округ

Удалова Татьяна Александровна Менеджер ОП №1 Санкт-Петербург, Калининградская, Ленинградская, Мурманская, Новгородская области, Карелия
Иванова Екатерина Александровна Менеджер ОП №1 Архангельская, Вологодская, Псковская области, Ненецкий АО
Бобырь Вера Сергеевна Менеджер ОП №2 Республика Коми

Уральский федеральный округ

Разгуляев Вячеслав Валерьевич Менеджер ОП №1 Курганская, Свердловская области
Иванова Екатерина Александровна Менеджер ОП №1 ХМАО-Югра, Челябинская область
Удалова Татьяна Александровна Менеджер ОП №1 ЯНАО, Тюменская область

Башкирия, Татарстан

Грищенко Юрий Евгеньевич Менеджер ОП №2 Республики Башкортостан и Татарстан

Приволжский федеральный округ

Бобырь Вера Сергеевна Менеджер ОП №2 Нижегородская, Пензенская, Самарская, Кировская, Оренбургская, Саратовская, Ульяновская области; Чувашия, Марий Эл, Мордовия, Удмуртия
Пикунов Игорь Андреевич Менеджер ОП №2 Пермский край, Удмуртия

Сибирский федеральный округ

Маркина Екатерина Андреевна Менеджер ОП №2 Иркутская, Кемеровская, Новосибирская, Томская области; Алтайский край, Красноярский край, Забайкальский край; Бурятия, Хакасия, Тыва, Алтай
Иванова Екатерина Александровна Менеджер ОП №1 Омская область

Южный Федеральный округ

Разгуляев Вячеслав Валерьевич Менеджер ОП №1 Астраханская, Волгоградская, Ростовская области, Краснодарский край, Адыгея, Калмыкская Республика, Крым

Северо-Кавказский федеральный округ

Разгуляев Вячеслав Валерьевич Менеджер ОП № 1 Дагестан, Ингушетия, Кабардино-Балкарская республика, Карачаево-Черкесская республика, Северная Осетия, Ставропольский край, Чеченская республика

Дальневосточный Федеральный Округ

Маркина Екатерина Андреевна Менеджер ОП №2 Вопросы по приобретению оборудования

Казахстан, Узбекистан, Киргизия, Таджикистан, Туркмения

Пикунов Игорь Андреевич Менеджер ОП №2 Вопросы по приобретению оборудования
Иванова Екатерина Александровна Менеджер ОП №1 Вопросы по приобретению оборудования

Грузия, Армения, Азербайджан

Разгуляев Вячеслав Валерьевич Менеджер ОП №1 Вопросы по приобретению оборудования

история – аналитический портал ПОЛИТ.

РУ

 

Томас Иоганн Зеебек

У термоэлектричества – два отца: немец и француз. Первым из них был немец. 14 декабря 1820 года Томас Иоганн Зеебек (Thomas Johann Seebeck), академик Прусской академии наук, выступил перед коллегами с докладом и демонстрацией опыта. Зеебек обнаружил, что если взять проволочное кольцо, спаянное из двух разных металлов, и нагреть одно из двух мест их соединения, то стрелка компаса, находящегося рядом, отклонится. Он назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» и в 1822 году описал его в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Зеебек отметил, что угол отклонения стрелки компаса и направление ее поворота зависели как от разности температур нагретого и ненагретого мест спайки, так и от того, какие вещества были взяты. Он экспериментировал, например, с висмутом, медью и сурьмой. Позднее ученые узнали, что изменение магнитного поля вызывается появляющимся в тот момент в веществе электрическим током, а само явление стали называть «эффектом Зеебека».

Позднее, в 1834 году, Жан Шарль Пельтье (Jean-Charles Peltier) решил посмотреть, что будет, если между двумя электродами поместить каплю воды и пустить электрический ток. Результат поразил ученого: вода превратилась в лед. Это явление стало известным под названием «эффект Пельтье». Вместе с эффектом Зеебека его относят к термоэлектрическим явлениям.

Как эффект Зеебека, так и эффект Пельтье наблюдаются, когда электрическая цепь состоит из двух разных материалов. Проявления эффектов обратны друг другу. При эффекте Зеебека от разницы температур возникает электрический ток. При эффекте Пельтье при пропускании тока меняется температура. Стоит уточнить, что, если поменять полярность тока, проводник будет не охлаждаться, а напротив разогреваться. Оба эффекта незначительно проявляются при контакте двух металлов, зато весьма заметны, если мы имеем дело с двумя полупроводниками.

Практическую пользу из двух столь замечательных явлений научились извлекать далеко не сразу. Но сейчас и эффект Пельтье, и эффект Зеебека находят активное применение в технике. Для охлаждения можно использовать «элементы Пельтье» (по-английски они называются thermoelectric cooler — термоэлектрический охладитель, TEC). Это две или несколько пар полупроводников, соединенных перемычками. При подсоединении к электрической сети, одна из сторон элемента Пельтье будет охлаждаться.

 

Юрий Петрович Маслаковец

А как работает эффект Зеебека? Пожалуй, первенство в его практическом применении принадлежит отечественным физикам. Сделано это было во время войны учеными Физико-технического института под руководством А. Ф. Иоффе. Необходим был способ, позволяющий партизанам заряжать аккумуляторы радиопередатчиков. Конечно, партизанским отрядам поставляли новые батареи с помощью самолетов, но этим способом не всегда удавалось воспользоваться. Также были сделаны динамо-машины для подзарядки, которые работали от двигателя автомобиля или от усилий человека, но и они не решили проблемы.

 

Термоэлектрогенератор ТГ-1

Когда началась Великая Отечественная война физики Лениградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок».

Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны. ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1».

После войны А. Ф. Иоффе и Ю. П. Маслаковец продолжили работы в области термоэлектричества. В 1950 году Иоффе написал работу «Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников», где изучил свойства полупроводниковых материалов, позволяющие достичь максимально возможного КПД термогенератора.

Промышленность СССР выпускала различные типы генераторов, предназначенных для удаленных местностей, где нет доступа к электрической сети. Был, например, создан, термогенератор ТГК-3, закреплявшийся на стекле керосиновой лампы и позволявший питать радиоприемник.

 

ТГК-3 (1954 год)

Позднее, с развитием электроснабжения и доступностью дешевого топлива, необходимость в термоэлектрогенераторах снизилась. Но и сейчас они находят применение. В первую очередь это происходит там, где другие источники питания труднодоступны: в автоматических маяках и метеорологических станция, в устройствах катодной защиты на нефтепроводах.

Современным разработкам, использующим термоэлектрические эффекты, будет посвящена вторая часть нашего рассказа, которую вы сможете прочитать на следующей неделе.

Проект «Что расскажет нам предмет?» Термоэлектрогенератор ТГК-3

  1. Главная
  2. Посетителям
  3. Статьи и публикации

18 декабря 2017

В старенькой таежной избушке, затерянной на просторах Красноярского края, много лет пролежал покрытый грязью и копотью непонятный агрегат. Выглядит он весьма необычно для современного человека: металлический цилиндр, труба, кольцо с цепями и провода. Еще больше путаницы вносила керосиновая лампа, прилагавшаяся к этому механизму. Что это такое, каково его предназначение? В 2015 г. это устройство Сергей Бобылев передал в Красноярский краевой краеведческий музей. Мы опознали в загадочной конструкции термоэлектрогенератор ТГК -3, произведенный в 1958 г. на заводе имени Энгельса.

Термоэлектрогенератор – это устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электричество. Проще говоря, аппарат вырабатывает электричество засчет тепла от горения керосиновой лампы, подвешенной на цепях под металлическим цилиндром генератора. Процесс получения электричества основан на термоэлектрическом эффекте: при нагревании места соединения двух разных металлов между их свободными концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила. Если замкнуть такой термоэлемент на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток. Термогенератор ТГК-3 содержит две термобатареи. Одна из них используется для накала электронных ламп и даёт напряжение около 2В при нагрузки тока до 0.5А, а другая обеспечивает питание анодных цепей ламп через вибропреобразователь с выходным напряжением около 120В при токе нагрузки до 8мА.

За малопонятными для большинства людей физическими и техническими терминами скрывается очень простое и надежное в эксплуатации устройство, популярное в отдаленных деревнях, к которым не подвели электричество. Мощности термоэлектрогнератора ТГК-3 хватало для работы батарейных радиоприемников “Родина-47”, “Родина-52”, “Искра”, “Таллин Б-2”, “Тула” и других. Одновременно с работой радио это устройство за счет горения керосиновой лампы еще и освещало помещение. Расход керосина у ТГК – 3 составляет 60-70 г. в час. Однократный запас горючего в лампе обеспечивает 8 ч. работы радиоприемника.

В послевоенные годы термоэлектрогенераторы пользовались большим спросом, но век их оказался не долог. В 1960-70-е. гг. проводилось укрупнение деревень. Множество мелких, отдаленных поселений было заброшено, а людей переселили в деревни и села, имевшие блага цивилизации, как, например, электричество. Только геологи и охотники по-прежнему использовали эти походные электростанции. Именно так ТГК-3 попал в таежную избушку, где на протяжении десятилетий скрашивал вечера суровым таежникам, вырабатывая электричество для радиоприемника. Со временем радио, по-видимому, сломалось и было выброшено, и наш герой остался в одиночестве. Только попав в музей, ТГК-3 обрел свою вторую половинку – радиоприемник «Родина-47», выпускавшийся с 1947 г. Воронежским заводом «Электросигнал». Теперь эта пара может занять достойное место на выставках Красноярского краевого краеведческого музея.

М.Ю. Новоселов научный сотрудник отдела истории КККМ

Красноярский музей в 1941 году

22 июня 2021

22 июня, в День памяти и скорби, вспоминаем, как Красноярский краеведческий музей встретил известие о начале Великой Отечественной войны и что изменилось в самом здании музея.

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

 

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

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

Первое что приходит на ум при фразе “автономный загородный дом” – электрогенератор.

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

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

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

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

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

 

Бесплатная энергия или электричество из дров!

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Продолжение..

 

Термоэлектрогенератор. Принцип работы термоэлектрогенератора – презентация онлайн

1. Термоэлектрогенератор

3. Принцип работы термоэлектрогенератора

Действие термоэлектрогенератора
основано на использовании
термоэлектрического эффекта,
сущность которого заключается в том,
что при нагревании места соединения
(спая) двух разных металлов между
их свободными концами, имеющими
более низкую температуру, возникает
разность потенциалов.
Если замкнуть такой термоэлемент
(термопару) на внешнее
сопротивление, то по цепи потечет
электрический ток.

4. Преобразование тепловой энергии в электрическую – термопара.

Если взять кольцевой проводник,
состоящий из двух металлов
А и Б, и нагреть места их
соединения соответственно до
температуры Т1 и Т2 так,
чтобы Т1 было больше, чем Т2.
В горячем спае такой
термопары ток идет из
металла Б в металл А,
а в холодном спае из металла А
в металл В.

5. Партизанское движение

• Партизанская борьба во время
Великой Отечественной войны
началась с первых же дней
нападения гитлеровской
Германии на CCCР.
• Важную роль играла
разведывательная
деятельность партизан и
подпольщиков, державших под
наблюдением обширную
территорию и передача
полученных данных о
противнике на «большую
землю».

6. Устройство «партизанский котелок».

Он состоял из нескольких
десятков термопар,
крепившихся ко дну
солдатского котелка.
В котелок наливалась вода, и его
ставили на костер.
Вода определяла температуру
одних спаев, а температуру
других “задавало” пламя
костра, нагревающее дно
котелка.
Разность температур спаев
составляла всего 250-300
градусов, этого хватало для
надежного обеспечения
питания переносной
радиоаппаратуры партизан.

7. Конструкция термоэлектрогенератора ТГК-3

• Предназначен для питания
индивидуальных
радиоприемников в
неэлектрифицированных
местностях, где применяется
керосиновое освещение.
Поэтому в качестве
источника тепловой энергии
для термоэлектрогенератора
было решено использовать
обычную керосиновую
лампу-“молнию” служащую
одновременно и для целей
освещения.

8. Схематическое устройство термоэлектрогенератора ТГК-3

Лампа имеет укороченное стекло без
верхней цилинрической части.
Внутрь этого стекла входит нижняя
часть металлического
теплопередатчика, имеющего форму
многогранной призмы 1.
На боковой поверхности верхней
части этого теплопередатчика
расположены блоки термобатареи 2.
Для охлаждения холодных спаев
термоэлементов к внешним
поверхностям блоков прижаты
металлические радиаторные ребра 4.

9. Действия партизан

• Важное значение имело
взаимодействие партизан с
частями регулярной армии.
• В 1941 г. в ходе оборонительных
боёв РККА это выражалось
преимущественно в ведении
разведки.
• Наиболее ярким примером
эффективного взаимодействия
партизан и частей Советской
Армии стала Белорусская
операция 1944 года «Багратион».
• Целью партизан в операции
«Багратион» было, поначалу,
выведение из строя
неприятельских коммуникаций,
позже — воспрещение отхода
разбитых подразделений
вермахта.

10. Области применения термоэлектрогенераторов в наше время:

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых
источников электропитания космических аппаратов,
предназначенных для исследования удаленных от Солнца
регионов Солнечной системы. В частности, такие
генераторы, использующие тепло плутониевых
тепловыделяющих элементов установлены на космических
аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В последние
годы термоэлектрические генераторы получили
применение в автомобильной технике для рекуперации
тепловой энергии, например для утилизации тепла
элементов выхлопной системы.

Разработан гибкий термоэлектрогенератор для носимых устройств | Новости

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вы можете подписаться на нашу страницу в LinkedIn!

Домашний термоэлектрический генератор Модули ТЭГ 100 Вт дровяной генератор

Технология TEG Generator POWER имеет свои сильные стороны. Поскольку плотность мощности очень велика, можно производить небольшие термоэлектрические генераторы. Например, сборка ТЭГ на 100 Вт может уместиться примерно в двадцатую часть пространства, необходимого для эквивалентной солнечной батареи. Кроме того, производительность составляет 24 часа в сутки при наличии источника тепла и отвода холода. Таким образом, фактическая выходная мощность может в 6-7 раз превышать мощность 100-ваттной солнечной батареи.Чтобы сделать эту технологию дешевой в эксплуатации, необходимо сбросное тепло, которое по определению является бесплатным. Ключевые слова: «Энергогенератор WASTE HEAT TEG». За последние 30 лет компания TEC разработала новые конструкции с эффектом Зеебека для использования в термоэлектрических генераторах энергии. В 2020 году компания представила дровяной генератор Rabbit Ears мощностью 100 Вт. Лучший в своем классе запатентованный термоэлектрический генератор мощностью 100 Вт на дровяной печи, демонстрирующий превосходные характеристики и надежность. Система термоэлектрического генератора ТЭГ мощностью 100 Вт является выдающейся.Установка поставляется с дымоходом длиной 24 дюйма и диаметром 6 дюймов, который уже смонтирован для быстрой установки. Уникальный теплообменник «труба в трубе» обеспечивает превосходное охлаждение на холодной стороне, рассчитанный на максимальный DT, что позволяет достичь максимальной мощности ТЭГ. Поглотители тепла с обеих сторон трубы используют радиаторы для проникновения в дымовой поток, максимизируя поглощение тепла для превосходного производства энергии. Запатентованная конструкция является лучшей в своем классе и была разработана 30-летним ветераном в области термоэлектрических генераторов. Он поставляется с высокоэффективным насосом с магнитным приводом 12 В постоянного тока и специально разработанным контроллером заряда постоянного тока с функциями ПЛК.

В системе справа используются трубы, обработанные PEX, для облегчения монтажа по трубопроводу, а также исключительная конструкция и универсальность ТЭГ. ПЛК может быть дополнен датчиком горячей стороны термопары для управления обратной подачей насоса. Пример: если температура печи ниже 100F, насос можно циклически включать и выключать, экономя ценную электроэнергию. ПЛК также имеет порт R-232 для подключения компьютера для программирования других функций. Будущие варианты включают автоматический огнетушитель, который будет выпускать инертную пищевую соду, если в верхней части дымохода начнется пожар.Эта функция будет первой из многих функций, защищающих вас и ваш дом от пожаров.
Bi2Te3 наиболее эффективен при комнатной температуре. Такие материалы, как PbTe, работают при температуре от 350 до 600 ° C (702-1112 ° F). И Bi2Te3, и PbTe – зрелые материалы. Их характеристики и производительность хорошо задокументированы и широко используются в коммерческих целях. Однако до сих пор практически невозможно коммерчески приобрести PbTe в модульной форме. Гибридный термоэлектрический модуль, сочетающий в себе лучший в классе Bi2Te3 P-тип с лучшим в классе PbTe N-Type материалом, чтобы сформировать первые гибридные модули TEG, классифицируемые как модуль серии TEG1-PB.Свойства PbTe лучше подходят для температур выше 300 ° C, поэтому комбинация хорошо работает в диапазоне от 300 ° C до 360 ° C. И теперь PbTe / TAGS до 12% эффективности.

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ админ 2018-05-22T21: 09: 03 + 00: 00

Как работают термоэлектрические генераторы ТЭГ (эффект Зеебека), описано ниже. Мы производим генераторы ТЭГ в течение последних 20 лет. Интерес к этой области резко возрос за последние 5 лет.Мы здесь, чтобы помочь объяснить нюансы технологии, поскольку в Интернете очень мало информации.

Термоэлектрические модули работают по двум различным принципам

1. Эффект Пельтье: Этот эффект вводит мощность в модуль, в результате чего одна сторона охлаждается, а другая нагревается. Эти типы модулей имеют малый ток (обычно в диапазоне 6 ампер при напряжении 12 В) и рассчитаны на низкотемпературное воздействие не более 70–80 ° C на горячую сторону. Воздействие более высоких температур приведет к тому, что модуль либо разобьется на части, стыки соединятся, и не станут хорошими генераторами энергии!

2.Эффект Зеебека: этот эффект создает разность температур в модуле за счет нагрева одной стороны модуля и охлаждения противоположной (стороны отвода тепла). Эти модули были специально разработаны для работы при температурах до 320 ° C (BiTe). Гибридные модули 360 ° C (комбинация BiTe и PbTe), предназначенные для использования преимуществ температуры горячей стороны в диапазоне от 260 ° C до 340 ° C, PbTe, разработанные для диапазона от 450 ° C до 600 ° C (от 842 ° F до 1112 ° F) из которых у нас есть 2 варианта (только PbTe, и PbTe / TAGS) и, наконец, модули оксида CMO (от 600 ° C до 850 ° C) (1112 ° F – 1562 ° F) горячей стороны.Чтобы увидеть наш выбор, нажмите «Магазин».

Правильная терминология важна для любой технологии. Модуль Зеебека – это генератор энергии (мощность от перепада тепла) DT, а модуль Пельтье – это модуль охлаждения (подающий мощность постоянного тока для получения дифференциала) горячей и холодной стороны. Вы можете использовать модуль Пельтье в качестве генератора, но не сможете производить большую мощность, потому что материалы, используемые для соединения устройства, имеют низкую температуру, и модуль будет разрушен при воздействии высоких температур.Для получения значимой мощности вам необходимо подвергнуть горячую сторону воздействию температур в диапазоне от 300 ° F до 700 ° F или выше! Если вы хотите производить милливатт, в этом нет необходимости. Холодная сторона должна быть спроектирована так, чтобы отводить максимальное количество тепла (лучше всего подходит жидкость, движущаяся в приемнике жидкости), когда она проходит с горячей стороны через модуль или модули к холодной стороне. Минус, если возможно, на холодной стороне. Чем холоднее холодная сторона, тем больше энергии вырабатывается. Фактически, с тем же самым DT модуль будет производить немного больше мощности при эквивалентном DT, но с более низкой холодной стороной.Это связано с тем, что по мере охлаждения полупроводника его внутреннее сопротивление уменьшается.

Выходная мощность определяется двумя критическими факторами

1. Количество теплового потока, которое может успешно пройти через модуль (HEAT FLOW). Чем больше количество тепла, тем больше мощности может быть произведено. Пример: если источником тепла является свеча, то количество энергии, которое может быть произведено, ограничено. Если у вас есть дровяная печь на 100000 БТЕ, вы можете производить значительную мощность, достаточную для зарядки системы батарей на 12 или 24 В, если вы можете использовать прямое тепло внутри печи.Объяснение можно найти в (Что новости)

.

2. (DT) Delta Temperature – температура горячей стороны за вычетом температуры холодной стороны.
Большие усилия должны быть приложены как к конструкции подвода тепла, так и к конструкции отвода тепла (холодная сторона). Чем лучше конструкция системы ТЭГ-генератора перемещает тепло с горячей стороны на холодную и рассеивает это тепло, когда оно попадает на холодную сторону, тем больше энергии будет генерироваться. В отличие от солнечных фотоэлектрических модулей, в которых для выработки энергии используются большие поверхности, термоэлектрические модули с эффектом Зеебека рассчитаны на очень высокую плотность мощности.Примерно в 50 раз больше, чем солнечные фотоэлементы! Термоэлектрические генераторы Зеебека, использующие движущуюся жидкость на холодной стороне, работают значительно лучше, чем любой другой метод охлаждения, и вырабатывают значительно больше полезной дополнительной мощности, чем потребляет насос (в зависимости от размера системы). Таким образом, для отвода наилучшего возможного тепла потребуются лучшие теплопроводящие материалы, такие как алюминий и медь, в конструкции системы термоэлектрического генератора.

Лучшая конструкция термоэлектрической генераторной системы.

Хотите увидеть, как один работает с выходами, чтобы показать записи мультиметра с нашего устройства, нажмите здесь https://www.youtube.com/watch?v=3-prKCGwV5M

Мы поможем вам разработать ваш продукт!

Для завершения включим пример:

Если вы хотите произвести термоэлектрический генератор ТЭГ мощностью 100 Вт. Размер ТЭГ основан на DT 100 ° C ( Горячая сторона – Холодная сторона )

Например:

  1. Требуется не менее 2000 Вт тепла на горячей стороне, проходящей через модули, при коэффициенте преобразования 5%.
  2. Требуется непрерывное рассеивание 1900 Вт тепла на холодной стороне, поскольку в мощность преобразуется только 100 Вт.
  3. Насколько критично DT. Тот же ТЭГ на 100 ватт. Если температура DT увеличится до 150 ° C, выходная мощность увеличится примерно до 140 Вт. Если DT снова увеличится до 200 ° C, ваша выходная мощность снова увеличится примерно до 180 Вт.

Высокопроизводительный носимый термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, переработки и реконфигурации, подобного Lego

Abstract

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются отличным кандидатом для питания носимой электроники и «Интернета вещей» благодаря своим возможностям прямого преобразования тепла в электрическую энергию.Здесь мы сообщаем о высокопроизводительном переносном ТЭГ с превосходной растяжимостью, самовосстановлением, пригодностью для вторичной переработки и реконфигурируемостью, подобной Lego, за счет объединения модульных термоэлектрических чипов, динамического ковалентного полиимина и текучей жидкометаллической электропроводки в конструкции механической архитектуры « мягкие подключаемые модули материнской платы. ” Достигается рекордно высокое напряжение холостого хода среди гибких ТЭГ, достигающее 1 В / см 2 при разнице температур 95 К. Кроме того, этот ТЭГ интегрирован с селективной по длине волны пленкой метаматериала на холодной стороне, что приводит к значительно улучшена производительность устройства при солнечном облучении, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха.Представленные здесь оптимальные свойства и концепции конструкции ТЭГ могут открыть путь к созданию высокопроизводительных, адаптируемых, настраиваемых, долговечных, экономичных и экологичных устройств сбора энергии следующего поколения с широким спектром применения.

ВВЕДЕНИЕ

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) могут напрямую преобразовывать низкопотенциальное тепло в электричество и, таким образом, являются очень многообещающими источниками энергии для носимой электроники и «Интернета вещей» ( 1 ). Однако обычные ТЭГ жесткие и хрупкие ( 2 6 ) и, таким образом, не могут быть адаптированы к сложным геометрическим и податливым свойствам материала человеческого тела.В последнее время большое внимание привлекла разработка гибких ТЭГ-систем, в том числе использование термоэлектрических (ТЭ) пленок ( 7 , 8 ), термоэлектрических масс ( 9 , 10 ), термоэлектрических чернил для печати ( 11 15 ), термоэлектрические волокна ( 16 , 17 ) и органические термоэлектрические материалы ( 18 , 19 ). Однако в очень немногих исследованиях сообщалось о ТЭГ с хорошей растяжимостью ( 7 , 17 ), что имеет решающее значение для обеспечения конформного контакта со сложной геометрией человеческого тела для оптимальных термоэлектрических характеристик ( 20 28 ).Вдохновленная способностью кожи человека к самовосстановлению, самовосстанавливающаяся электроника также продемонстрировала многообещающий потенциал носимой электроники для повышения надежности и долговечности ( 29 34 ). Однако в системах ТЭГ эта возможность еще не реализована.

В этой работе мы сообщаем о первой самовосстанавливающейся и перерабатываемой системе ТЭГ с превосходной растяжимостью и термоэлектрическими характеристиками. Достигнуто рекордно высокое напряжение холостого хода среди гибких ТЭГ, достигающее 1 В / см 2 при перепаде температур 95 К.Кроме того, эта система ТЭГ обладает возможностью реконфигурирования, подобной Lego, что позволяет пользователям настраивать устройство сбора энергии в соответствии с тепловыми и механическими условиями. Эти свойства реализуются за счет интеграции высокопроизводительных модульных термоэлектрических чипов, динамического ковалентного термореактивного полиимина в качестве подложки и инкапсуляции и текучего жидкого металла в качестве электропроводки с помощью новой конструкции механической архитектуры «мягких материнских плат и жестких подключаемых модулей» (SOM-RIP). Наконец, на холодную сторону ТЭГ вводится селективная по длине волны пленка из метаматериала для улучшения термоэлектрических характеристик при солнечном облучении, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Конструкция и изготовление устройства

ТЭГ состоит из модульных термоэлектрических чипов, жидкого металла в качестве электропроводки и динамического ковалентного термореактивного полиимина в качестве подложки и оболочки для разводки жидкого металла (рис. 1A). Полиимин может быть синтезирован путем сшивки трех коммерчески доступных соединений, терефталевого альдегида, 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина и трис (2-аминоэтил) амина (рис. S1) ( 29 , 35 , 36 ).Для изготовления термоэлектрических чипов мы нанесли тонкие пленки халькогенидов Bi и Sb на полиимидные пленки с помощью термического испарителя, который служил ножками n-типа и p-типа соответственно (рис. S2). Размеры ветвей n-типа и ветвей p-типа были определены в процессе оптимизации эффективности преобразования энергии (примечание S1 и таблица S1). Для улучшения кристалличности и производительности мы затем обрабатывали термоэлектрические пленки при 320 ° C в течение 26 минут в атмосфере аргона. Затем с помощью теплового испарителя были нанесены электроды Au-Ge для образования соединений между ветвями n-типа и ветвями p-типа, что завершает изготовление термоэлектрических чипов (рис.S2 и S3A). Процесс сборки модульных термоэлектрических чипов в ТЭГ схематично описан на рис. 1А. Все началось с лазерной резки полииминовой подложки для создания прорезей (рис. S3B), за которой последовала трафаретная печать на жидкометаллических электрических проводках с рисунком (рис. S3C и S4). Затем модульные термоэлектрические чипы вставляли в прорези полииминового субстрата и добавляли небольшое количество раствора полиимина [терефталевый альдегид + 3,3′-диамино- N -метилдипропиламин + трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] был применен для соединения термоэлектрических чипов с подложкой и для герметизации жидкометаллических проводов.На вставке к фиг. 1A представлено покомпонентное изображение конструкции устройства, а на фиг. 1B показано оптическое изображение собранного устройства ТЭГ. Подробные процессы изготовления можно найти в дополнительных материалах (примечание S2 и рис. S2 и S5).

Рис. 1 Устройство и изготовление ТЭГ.

( A ) Схематическое изображение конструкции, процесса изготовления и ключевых характеристик, включая самовосстановление, пригодность для вторичного использования и реконфигурируемость, подобную Lego. Оптические изображения ТЭГ, когда он плоский ( B ), изогнутый ( C ), растянутый ( D ) и ношение на пальце ( E ).Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Благодаря реакциям обмена связями в динамической ковалентной термореактивной полииминовой сети и текучести жидкометаллических электропроводок ( 29 , 36 ) этот ТЭГ является самовосстанавливающимся, пригодным для вторичной переработки и реконфигурируемым в стиле Lego, как схематически проиллюстрировано на фиг. 1A. Кроме того, этот ТЭГ обладает прекрасными механическими свойствами. Его можно сгибать (Рис. 1C), растягивать (Рис. 1D) и носить на пальце (Рис. 1E) во время работы.

Выходная мощность и термоэлектрическая стойкость

Мощность и выходное напряжение ТЭГ со 112 термоэлектрическими ветвями при различных перепадах температур были испытаны с использованием лабораторной установки (рис. S6). На рис. 2 (от A до C) показаны выработка электроэнергии ( P из ) и напряжение холостого хода ( В oc ) на единицу площади при разнице температур (Δ T ) в диапазоне от 6 до 95 К. при фиксированной температуре холодной стороны 20 ° C. Зависимость между выработкой электроэнергии ( P, , из ) и выходным напряжением ( В, , , нагрузка ) при различных перепадах температур приведена на рис.2А. Рисунок 2B показывает, что максимальная выработка мощности P max увеличивается с перепадом температур Δ T и достигает 19 мкВт / см 2 при Δ T = 93 К. Напряжение холостого хода на единицу площади В oc , как показано на рис. 2C, линейно увеличивается с перепадом температур и достигает 1 В / см 2 при Δ T = 95 K, что значительно выше, чем у других гибких ТЭГ, описанных в литературе ( 7 19 ).На рисунке 2D представлены результаты испытаний на выносливость этого ТЭГ. Выработка энергии ТЭГ оставалась стабильной в течение 100 часов, когда горячая сторона была зафиксирована на уровне 100 ° C, а холодная сторона подвергалась внутренней естественной конвекции. Результаты показывают превосходную термическую и электрическую выносливость этого ТЭГ. На рисунке 2E показано сравнение с гибкими ТЭГ, описанными в литературе, по шести показателям производительности, включая максимальную удельную мощность, максимальное напряжение холостого хода, гибкость (измеренную в радиусе изгиба), растяжимость, самовосстановление и пригодность для вторичной переработки (см. Таблицу S2 и рис. .S7 для подробностей) ( 7 19 ). Представленные здесь ТЭГ демонстрируют гибкость и максимальную удельную мощность, сравнимые с другими гибкими ТЭГ, но их растяжимость и максимальное напряжение холостого хода намного лучше. Кроме того, наши ТЭГ являются самовосстанавливающимися, пригодными для вторичной переработки и реконфигурируемыми в стиле Lego (что будет продемонстрировано позже), и эти свойства еще не были продемонстрированы в системах ТЭГ.

Рис. 2 Мощность и ресурс ТЭГ.

( A ) Выработка электроэнергии ( P из ) как функция выходного напряжения ( В, нагрузка ) при различных перепадах температур (Δ T ), с температурой холодной стороны ( T холодный ) выдерживали при 20 ° C.Черные точки – данные измерений. ( B ) Максимальная выработка электроэнергии ( P макс ) в зависимости от разницы температур. ( C ) Напряжение холостого хода ( В oc ) в зависимости от разницы температур. Сплошные линии на (A) и (B) – аппроксимирующие кривые с использованием параболических функций. Сплошная линия на (C) – это линейная аппроксимирующая кривая. ( D ) Столетнее испытание на долговечность при температуре горячей стороны ( T hot ), поддерживаемой при 100 ° C.Холодная сторона была естественной конвекцией, а комнатная температура ( T , комната ) была около 26 ° C. ( E ) Сравнение характеристик этого ТЭГ и других гибких ТЭГ, приведенных в литературе (подробности см. В дополнительных материалах). Под гибкостью понимается минимальный радиус изгиба ТЭГ, экспериментально продемонстрированный в литературе.

Носимый ТЭГ и механические свойства

Этот ТЭГ обладает превосходной механической гибкостью, поэтому его можно носить на теле человека для сбора энергии.На рис. 3А показан ТЭГ, прикрепленный к предплечью при комнатной температуре 25 ° C, а на вставке показано инфракрасное измерение распределения температуры по устройству. На рисунке 3В показано, что это устройство ТЭГ может генерировать среднюю выходную плотность мощности 45 и 83 нВт / см 2 и среднее выходное напряжение 25 и 33 мВ / см 2 , когда пользователь сидел и шел, соответственно (рис. . S8). Для площади поверхности типичного спортивного браслета (6 см на 25 см) выходная мощность 12.5 мкВт и выходное напряжение 5 В могут генерироваться, когда пользователь идет, чего достаточно для непосредственного управления большинством узлов датчиков с низким энергопотреблением с помощью радиочастотной связи.

Рис. 3 Сбор энергии носимых устройств и механические свойства ТЭГ.

( A ) Оптические и инфракрасные (вставные) изображения ТЭГ, прикрепленного к руке. ( B ) Выработка энергии ( P, , из ) и выходное напряжение ( В, , , нагрузка ) ТЭГ со 112 термоэлектрическими ножками на коже человека, когда пользователь сидел и шел.Холодная сторона была естественной конвекцией. Метод конечных элементов (МКЭ) моделирует контуры распределения деформации в ветвях ТЭГ и ТЭ (вставка), когда ТЭГ изгибается до радиуса 3,5 мм ( C ) и растягивается на 120% ( D ). ( E ) Изменение относительного электрического сопротивления и стабильность выработки электроэнергии за 1000 циклов изгиба. На вставке показаны оптические изображения ТЭГ в плоском и изогнутом состоянии. Радиус изгиба r = 3,5 мм, R 0 – исходное сопротивление, а Δ R – изменение сопротивления.( F ) Относительное изменение электрического сопротивления и выработка энергии в зависимости от степени растяжения (Δ L / L 0 ). Для измерений выходной мощности ( P, , из ) в (E) и (F) температура горячей стороны поддерживалась на уровне 41 ° C, на холодной стороне была естественная конвекция, а температура в помещении составляла около 26 ° C. На вставке (F) показаны оптические изображения ТЭГ во время испытания на растяжение, который включен последовательно со светоизлучающим диодом (LED) и источником постоянного тока 4 В для визуальной демонстрации (рис.S11). Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Для носимых устройств первостепенное значение имеют механические свойства. Чтобы улучшить механическую гибкость и растяжимость ТЭГ, мы представляем инновационную конструкцию SOM-RIP. Эта конструкция может эффективно отделять жесткие и хрупкие чипы ТЭГ от напряжений в мягкой полииминовой подложке во время механической деформации. Результаты моделирования методом конечных элементов (FEM), показанные на рис. 3 (C и D), доказывают эффективность этой конструкции SOM-RIP в улучшении механических свойств ТЭГ.На рис. 3С показан контур максимального распределения основной деформации в ТЭГ, когда он изогнут до радиуса 3,5 мм. На вставке максимальное напряжение в ветвях TE составляет 0,0003%. На рисунке 3D показан контур распределения максимальной основной деформации в ТЭГ при растяжении на 120%. На вставке видно, что максимальная деформация в термоэлектрических ветвях составляет всего 0,1%, что ниже деформации разрушения (≈0,15%) ( 37 ) ТЭ материалов. Эта конструкция SOM-RIP обеспечивает коэффициент уменьшения деформации в 1200 раз.Контуры распределения деформации в полиимиде и Au-Ge за счет изгиба и растяжения представлены на рис. S9.

Для обеспечения механической прочности мы провели испытание на циклический изгиб с радиусом изгиба 3,5 мм. Как показано на фиг. 3E и фиг. S10, электрическое сопротивление остается постоянным, а выходная мощность не показывает явных изменений. На рис. 3F представлено изменение относительного сопротивления и выходной мощности в зависимости от механической деформации растяжения. Как сопротивление, так и выходная мощность не показывают заметных изменений, когда устройство ТЭГ растягивается до 120%.Это также демонстрирует вставка, так как яркость светодиода (LED) при его растяжении на 120% сравнима с яркостью, когда ТЭГ не растянут (рис. S11).

Следует отметить, что гибкость и растяжимость этого ТЭГ ограничены в направлении, параллельном термоэлектрическим кристаллам. Однако ТЭГ со сверхвысокой гибкостью и растяжимостью в одном направлении хорошо подходят для цилиндрических источников тепла, таких как руки, ноги и пальцы, для носимых устройств и промышленных трубопроводов для сбора отработанного тепла.

Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Lego

В этом TEG текучесть жидкометаллических проводов и реакции обмена связями в полииминовой сети обеспечивают отличную способность устройства к самовосстановлению ( 29 ). На рисунке 4A схематично показан процесс и механизм самовосстановления. После того, как жидкометаллическая проводка и полииминовая подложка разорваны (рис. 4A, вверху), разорванные границы раздела могут быть возвращены в контакт. Жидкометаллическая проводка сразу же восстанавливает электрическую проводимость благодаря своему жидкому поведению.Реакции обмена связями способствуют образованию новых ковалентных связей на границе раздела, что приводит к излеченному устройству ТЭГ, обладающему как механической прочностью, так и электрическими функциональными возможностями (рис. 4A, внизу). На рис. 4В и видеоролике S1 экспериментально демонстрируется этот процесс с использованием ТЭГ-устройства с двумя термоэлектрическими модулями. Когда жидкометаллическая проводка и полииминовая подложка разрываются, светодиод гаснет (вверху в центре). Приведение интерфейсов обратно в контакт приводит к немедленному восстановлению электропроводности в проводке жидкий металл, и снова загорается светодиод (внизу посередине).После 1,5-часового заживления при комнатной температуре на границе раздела образуется достаточное количество ковалентных связей, что приводит к механически прочному самовосстанавливающемуся ТЭГ, который можно сгибать, не влияя на выходную мощность (рис. 4B, справа). Изображения с оптического микроскопа на рис. S12 демонстрирует процесс заживления пореза полиимина с течением времени. Самовосстанавливающийся ТЭГ демонстрирует растяжимость, сравнимую с исходным устройством, так как его можно растянуть на 120%, не влияя на электрическое сопротивление (рис. 4C).

Инжир.4 Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Лего.

( A ) Схематическое изображение механизма самовосстановления. ( B ) Оптические изображения ТЭГ в тесте самовосстановления. Оригинальный ТЭГ является гибким и соединен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (слева). Когда жидкометаллическая электропроводка и полииминовая подложка обрываются, светодиод гаснет (вверху в середине). Когда две поверхности в поврежденном месте соприкасаются, жидкометаллическая электропроводка немедленно заживает, что приводит к включению светодиода (внизу посередине).Через 1,5 часа полииминовый субстрат полностью заживает и приобретает механическую прочность (справа). ( C ) Изменение относительного электрического сопротивления (Δ R / R 0 ) самовосстанавливающегося ТЭГ в зависимости от степени растяжения. На вставке показаны оптические изображения самовосстанавливающегося ТЭГ во время испытания на растяжение. ( D ) Оптические изображения ТЭГ на разных этапах переработки. Новый ТЭГ соединен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (внизу слева). ( E ) Сравнение выработки электроэнергии старым ТЭГ и переработанным новым ТЭГ.( F ) Лего-подобная реконфигурация двух отдельных ТЭГ (устройства I и II) в новый функциональный ТЭГ (устройство III). Новый ТЭГ (устройство III) включен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (справа). ( G ) Сравнение выработки электроэнергии между ТЭГ I, II и III. Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Избыток аминовых мономеров может вызывать деполимеризацию полииминовых сеток в мономеры и олигомеры, растворимые в органических растворителях, что приводит к превосходной возможности повторного использования устройств на основе полиимина ( 29 ).На рис. 4D показан процесс рециркуляции ТЭГ-устройства. Старый ТЭГ пропитывают рециркулирующим раствором [3,3′-диамино- N -метилдипропиламин и трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] (вверху слева). Через 6 часов при комнатной температуре полииминовый субстрат полностью деполимеризуется на олигомеры и мономеры, растворимые в метаноле (вверху справа). Затем другие компоненты, включая термоэлектрические модули, проводники и жидкий металл, могут быть отделены от химического раствора (внизу справа).Рециркулированный раствор можно полностью повторно использовать для синтеза новой полииминовой пленки путем пропорционального добавления терефталевого альдегида и метанола. Новый функциональный ТЭГ может быть изготовлен с использованием всех компонентов, переработанных из старого ТЭГ (внизу слева). Как показано на рис. 4E, выходная мощность нового ТЭГ сравнима со старым ТЭГ.

Это устройство ТЭГ не только самовосстанавливающееся и пригодное для вторичной переработки, но и реконфигурируемое в стиле Lego благодаря конструкции SOM-RIP, сочетающей в себе динамический ковалентный термореактивный полиимин и проводку из жидкого металла.На рисунке 4F показана реконфигурация двух отдельных устройств ТЭГ (устройства I и II) в новое устройство ТЭГ (устройство III). Подобный Lego процесс реконфигурации начинается с отключения одной клеммы устройств I и II, чтобы обнажить жидкометаллическую проводку (рис. 4F, слева), с последующим приведением открытых клемм двух TEG в физический контакт. Затем нанесение и отверждение небольшого количества раствора полиимина [терефталевый альдегид + 3,3′-диамино- N -метилдипропиламин + трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] на стыке двух ТЭГ полностью излечивают поверхность раздела (Рис. .4F, средний). Новый ТЭГ полностью работоспособен (рис. 4F, справа). Этот процесс подробно схематично проиллюстрирован на рис. S13. Как показано на рис. 4G, выходная мощность устройства III равна сумме устройств I и II, что указывает на то, что процесс реконфигурации, подобный Lego, эффективен без снижения производительности. Обратите внимание, что во время этого процесса реконфигурации нет необходимости применять раствор полиимина, но требуется больше времени для образования достаточного количества ковалентных связей на стыке стыков.Возможность реконфигурации, подобная Lego, позволяет пользователям настраивать ТЭГ, используя последовательно или параллельно подключенные модули для заданных форм-факторов, конструкции, выходного напряжения и мощности в зависимости от конкретных тепловых условий и выходной мощности термоэлектрических микросхем (рис. S14). Подобный Lego реконфигурируемый ТЭГ также может быть интегрирован в сенсорную систему, основанную на подобной самовосстанавливающейся подложке, чтобы сформировать автономную сенсорную систему с автономным питанием.

Повышение характеристик ТЭГ на открытом воздухе с помощью пленки из метаматериала

Солнечное излучение, внешнее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на характеристики переносного ТЭГ во время активного отдыха (рис.5А, вверху). Энергетический баланс холодной стороны ТЭГ, которая подвергается воздействию окружающей среды, можно выразить как ( 38 ) Qsurf = Pnonrad + Prad − Pabs = hc (Tc − Tamb) + κBε¯emit (Tc4 − Ts4) −Psolarε¯abs (1) где Q surf – полный тепловой поток на поверхности с холодной стороны на единицу площади, P nonrad и P rad – безызлучательный теплоперенос и теплообмен на единицу площади. между поверхностью холодной стороны и окружающей средой, соответственно, P abs – поглощенная мощность солнечного излучения на единицу площади, P solar – мощность солнечного излучения на единицу площади, а ε¯emit и ε¯ abs – соответственно эффективная излучательная способность и эффективная поглощающая способность поверхности.Излучательная способность и поглощательная способность могут использоваться для оценки теплового излучения поверхности с холодной стороны и поглощения ею солнечного излучения, как показано в формуле. 1. На рис. 5В показаны измеренные зависящие от длины волны коэффициенты излучения / поглощения поверхности ТЭГ (голая поверхность). Поверхность ТЭГ без покрытия имеет сильное поглощение (> 0,87) в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм), что указывает на то, что поверхность может нагреваться солнечным излучением, что значительно ограничивает ее тепловыделение. Чтобы улучшить характеристики ТЭГ на открытом воздухе, необходимо изменить поверхность с холодной стороны так, чтобы она была избирательной по длине волны для более эффективного рассеивания тепла.Эта поверхность должна иметь две характеристики: (i) низкую поглощающую способность в солнечном спектре и (ii) высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне, особенно в окне пропускания атмосферы (от 8 до 13 мкм), что позволяет холодной стороне испускать инфракрасное излучение до Вселенная через атмосферу, а именно радиационное охлаждение неба ( 38 40 ). Поэтому выбирается пленка из гибридного метаматериала из стеклополимера, которая может обеспечить обе характеристики, и наносится в качестве покрытия на холодную сторону поверхности ТЭГ (рис.5A, внизу), что дает эффективную поверхность с избирательной длиной волны. Как показано на рис. 5B, измеренная излучательная способность / поглощательная способность в зависимости от длины волны поверхности с избирательной длиной волны показывает гораздо более низкое поглощение, чем голая поверхность, в спектрах солнечного излучения (от 0,3 до 2,5 мкм) и сравнимую излучательную способность в окне пропускания атмосферы (от 8 до 2,5 мкм). 13 мкм). Детальный дизайн и изготовление метаматериала можно найти в нашей предыдущей работе ( 40 ).

Рис. 5 Улучшение характеристик на открытом воздухе с помощью селективных по длине волны пленок из метаматериалов.

( A ) Схематическое изображение процессов теплопередачи ТЭГ с оголенной поверхностью (вверху) и селективной по длине волны поверхностью (внизу) в дневное и ночное время. P solar и P атм – мощность солнечного излучения и мощность атмосферного излучения на поверхности, соответственно, P рад – мощность теплового излучения от поверхности, а P nonrad – безызлучательный теплообмен (конвекция и теплопроводность) между поверхностью и окружающей средой.( B ) Измеренная поглощающая способность / коэффициент излучения голой поверхности и поверхности с избирательной длиной волны от 300 нм до 25 мкм. Коэффициент поглощения / излучения атмосферы (серый блок) и плотность мощности спектрального солнечного излучения [желтый блок; воздушная масса (AM), 1,5]. И голая поверхность, и поверхность с избирательной длиной волны имеют сильное излучение от 8 до 13 мкм (атмосферное окно пропускания), что указывает на превосходные характеристики радиационного охлаждения. Голая поверхность имеет сильное поглощение во всем солнечном спектре (> 0.87) и других инфракрасных диапазонах (> 0,96), в то время как избирательная по длине волны поверхность имеет гораздо более слабое поглощение в солнечном спектре, чем в инфракрасном диапазоне. ( C ) Солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра, измеренные метеостанцией с 13:00 до 18:00 (9 ноября 2019 г., Боулдер, Колорадо, США). Общий поверхностный теплообмен ( D ), выходное напряжение ( E ) и выработка энергии ( F ) ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне с 13:00 до 18:00.

Чтобы количественно изучить влияние солнечного излучения и радиационного охлаждения на термоэлектрические характеристики, мы протестировали ТЭГ на открытом воздухе как с оголенной поверхностью, так и с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне в солнечный день, используя лабораторную установку (рис. S15). Измеренные солнечная освещенность, температура наружного воздуха и скорость ветра с 13:00 до 18:00 представлены на рис. 5C. Внезапное падение измеренной солнечной радиации в 15:18 произошло из-за того, что метеостанция была затенена соседним зданием, а устройства TEG были затенены зданием в 15:45.Теплообмен на двух типах поверхностей можно рассчитать на основе измеренных данных (примечание S3 и рис. S16). Как показано на рис. 5D, ТЭГ с оголенной поверхностью на холодной стороне имеет отрицательный теплообмен между 13:00 и 15:45, поскольку поглощение солнечной энергии на оголенной поверхности больше, чем полное рассеивание тепла за счет радиационной и безызлучательной теплопередачи. . Это приводит к тому, что выходное напряжение ТЭГ с оголенной поверхностью колеблется около нуля (рис. 5E), а выработка энергии составляет всего 1 нВт / см 2 (рис.5F) до 15:45. Для ТЭГ с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне теплообмен остается стабильным как до, так и после того, как ТЭГ был затенен зданием, как показано на рис. 5D. Это приводит к значительному улучшению характеристик ТЭГ с выходным напряжением ~ 40 мВ / см 2 (рис. 5E) и выходной мощностью ~ 10 нВт / см 2 (рис. 5F) до 15:45 по сравнению с с ТЭГ с оголенной поверхностью на холодной стороне. После того, как ТЭГ-устройства были затенены зданием в 15:45, два ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне имеют одинаковые общие теплообменные и термоэлектрические характеристики из-за их одинакового высокого коэффициента излучения в окне пропускания атмосферы и отсутствие солнечного излучения.

ОБСУЖДЕНИЕ

В этой работе описывается высокопроизводительный носимый ТЭГ с превосходными возможностями растяжения, самовосстановления, повторного использования и реконфигурации, подобной Lego. Для достижения этих свойств благодаря новой механической архитектуре SOM-RIP интегрированы высокопроизводительные модульные термоэлектрические чипы, динамический ковалентный термореактивный полиимин в качестве подложки и инкапсуляции и текучий жидкий металл в качестве электропроводки. Этот ТЭГ может производить рекордно высокую плотность напряжения холостого хода 1 В / см 2 при разнице температур 95 К среди гибких ТЭГ, что многообещающе для сбора низкопотенциального тепла для питания Интернета вещей и носимой электроники.Эти особенности позволяют адаптировать ТЭГ к быстро меняющимся механическим и тепловым условиям и требованиям пользователя. Кроме того, селективная по длине волны пленка из метаматериала интегрирована на холодной стороне ТЭГ, чтобы одновременно максимизировать радиационное охлаждение и минимизировать поглощение солнечного излучения. Следовательно, термоэлектрические характеристики могут быть значительно улучшены под воздействием солнечного излучения, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха. Концепции конструкции, подходы и свойства системы ТЭГ, описанные в этой работе, могут проложить путь к созданию высокопроизводительных, адаптируемых, настраиваемых, надежных, экономичных и экологичных устройств сбора энергии следующего поколения с широким спектром применения.

Отметим также, что общая концепция дизайна этой работы масштабируется и адаптируется к другим термоэлектрическим материалам и методам изготовления, включая физическое осаждение из паровой фазы с рулона на рулон и методы печати ( 41 ). Можно дополнительно улучшить термоэлектрические характеристики переносного ТЭГ, улучшив процесс изготовления термоэлектрических пленок, приняв термоэлектрические пленки с лучшими термоэлектрическими свойствами ( 42 45 ) и используя традиционные термоэлектрические ножки с гораздо меньшими размерами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез материалов и изготовление устройств

Тонкопленочные термоэлектрические материалы были нанесены на полиимидную пленку (125 мкм; DuPont) с помощью термического испарителя. Целевыми материалами ветвей p-типа и ветвей n-типа для испарения были Bi 0,5 Sb 1,5 Te 3 и Bi 2 Te 2,8 Se 0,3 , соответственно, которые были приготовлены выплавка слитка Bi (99,999%; Alfa Aesar), слитка Sb (99.999%; Alfa Aesar), слиток Te (99,999%; Alfa Aesar) и слиток Se (99,999%; Alfa Aesar) в запаянных кварцевых трубках под вакуумом ниже 10 -3 Па с использованием муфельной печи (KSL-1100X-L) при 1073 К. в течение 5 часов. Затем нанесенные термоэлектрические пленки нагревали при 320 ° C в течение 26 мин в атмосфере аргона в трубчатой ​​печи (OTF-1200X). Тонкопленочные электроды Au-Ge наносили с помощью термического испарителя с использованием сплава Au 88 Ge 12 (99,99%; Kurt. J. Lesker) в качестве материала мишени. Полииминовый субстрат полимеризуется с использованием трех коммерческих соединений: терефталевого альдегида, 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина и трис (2-аминоэтил) амина.Смесь 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина (1,251 г, 8,61 ммоль) и трис (2-аминоэтил) амина (0,252 г, 1,72 ммоль) добавляли в центрифужную пробирку объемом 25 мл с завинчивающейся крышкой. с последующим добавлением метанола (20 мл) и терефталевого альдегида (1,5 г, 11,18 ммоль). Смесь перемешивали до тех пор, пока раствор не становился полупрозрачным и желтым, а затем раствор выливали в чашку Петри, покрытую полидиметилсилоксаном. Раствор отверждали испарительной сушкой в ​​вытяжном шкафу в течение не менее 72 часов при комнатной температуре.Рециркулирующий раствор представляет собой смесь 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина (1,251 г, 8,61 ммоль) и трис (2-аминоэтил) амина (0,252 г, 1,72 ммоль) в метаноле. Жидкий металл (смесь 75,5% галлия и 24,5% индия по весу) смешивали с 0,35% по весу частиц SiO 2 (радиус 40 мкм) для повышения выхода трафаретной печати. Температура плавления жидкого металла составляет 15,3 ° C. В качестве альтернативы для более холодной окружающей среды можно использовать эвтектический галлий-индий-олово (галинстан) (68% Ga, 22% In и 10% Sn по весу) с температурой плавления -19 ° C.Устройство для лазерной резки (Epilog 36EXT Model 9000) использовали для подготовки всех масок и прорезей в полииминовых подложках. Селективная по длине волны пленка прикреплялась к холодной стороне ТЭГ с помощью чувствительной к давлению ленты.

Характеристики материалов

Толщина термоэлектрических пленок и пленки Au-Ge измерялась профилометром со щупом (Bruker DektakXT). Микрорельеф поверхности и состав анализировались с помощью сканирующего электронного микроскопа (Quanta 200 FEG и Hitachi SU3500), сопровождаемого энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией.Коэффициент Зеебека и удельное электрическое сопротивление были измерены четырехзондовым методом на системе одновременных измерений (ULVAC ZEM-3), а теплопроводность термоэлектрических пленок (рис. S17) была измерена методом термоотражения во временной области ( 46 ) на самодельной системе (таблица S1 и рис. S18 и S19). Изображения процесса самовосстановления в оптическом микроскопе были получены с использованием цифрового микроскопа со сверхглубокой резкостью (KEYENCE VHX-1000E).

Измерение выхода ТЭГ

Характеристики ТЭГ внутри и вне помещений были проверены с помощью самодельных установок (рис.S6 и S15). Горячая сторона – это нагревательный стол с регулируемой температурой. Холодная сторона представляет собой двухступенчатый охладитель (гидроохлаждение и охладитель Пельтье), который может точно контролировать температуру холодной стороны ТЭГ от 0 ° C до комнатной температуры. Термопары типа Т (диаметр проволоки 0,127 мм; OMEGA TT-T-36) использовались для проверки температур холодной и горячей стороны ТЭГ. Провода термопары фиксировались держателями рядом с тестируемыми позициями, и только оголенные концы термопар близко касались тестируемых позиций из-за эластичности проводов термопар, чтобы избежать дополнительных потерь тепла.Для фиксации термопар не использовались смазка, клей, лента или зажим. Комнатная температура измерялась термопарой типа Т, помещенной на воздухе рядом с ТЭГ. Все данные, включая температуру, напряжение и сопротивление, собирались многофункциональным устройством сбора данных (Keysight 34970A). Инфракрасные изображения были получены с помощью инфракрасной камеры (FLIR T630sc). Солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра были проверены метеостанцией рядом с ТЭГ.

Механические характеристики

Испытания на растяжение проводились на самодельном растягивающем оборудовании.Смоделированные контуры распределения деформации в ТЭГ были получены с использованием коммерческого программного обеспечения Abaqus. Проводящий слой AuGe был смоделирован как скин-слой на поверхности полиимидной пленки и термоэлектрических ветвей, а затем образован четырехузловыми элементами оболочки. Полиимидная пленка, термоэлектрические ветви p-типа и n-типа и полииминовая подложка моделировались с использованием восьмиузловых твердотельных элементов. Модули упругости AuGe, ветвей n-типа, ветвей p-типа, полиимидных пленок и полииминовой подложки составляли 69,2 ГПа, 52 ГПа, 46 ГПа, 2.5 ГПа и 2 МПа соответственно. Коэффициенты Пуассона для них составляли 0,32, 0,25, 0,25, 0,34 и 0,35 соответственно. Для моделирования условий эксперимента к модели отдельно применялись деформация 120% и радиус изгиба 3,5 мм.

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

  1. Д. М. Роу, Модули, системы и приложения в термоэлектриках (CRC Press, 2012).

  2. М. Киши, Х. Немото, Т. Хамао, М. Ямамото, С. Судо, М.Мандаи, С. Ямамото, Микро-термоэлектрические модули и их применение в наручных часах в качестве источника энергии, в Восемнадцатая Международная конференция по термоэлектричеству, Материалы, ICT’99 (Кат. № 99TH8407) (IEEE, 1999), стр. 301– 307.

  3. L.M. Goncalves, C. Couto, JH Correia, P. Alpuim, G. Min, DM Rowe, Оптимизация термоэлектрических тонких пленок, нанесенных путем совместного испарения на пластиковые подложки, в материалах 4-й Европейской конференции по термоэлектрике , Кардифф, Великобритания, 9–11 апреля 2006 г. (2006 г.).

Благодарности: Финансирование: Мы признательны за финансовую поддержку со стороны NSF, США (CMMI-1762324) и Национальной программы исследований и разработок Китая (2019YFA0705201).Д.З. благодарит за поддержку Фонд естественных наук провинции Цзянсу, Китай (BK20200373). Вклад авторов: W.R., Y.S., D.Z., L.Z., J.X. и R.Y. задумал и спроектировал эксперимент. W.R. и Y.S. изготовили ТЭГ и выполнили механические испытания и испытания выходной мощности в помещении. W.R., Y.S., D.Z. и A.A. провели испытания ТЭГ на открытом воздухе. W.R., Y.S. и Jie Zhang измерили и охарактеризовали пленки TE, а также модифицированный жидкий металл и полиимин. С.З. выполнили моделирование методом конечных элементов.Ю.С. и C.S. изготовили полиимин. W.R., Jialun Zhang и H.G. разработали и изготовили мишени из материала TE. W.R., Y.S., D.Z., A.A., L.Z., J.X. и R.Y. проанализировали экспериментальные данные. W.R., Y.S., D.Z., L.Z., J.X. и R.Y. написал газету. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

  • Copyright © 2021 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Как работают термоэлектрические генераторы | ООО «Прикладные термоэлектрические решения»

Как работают термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) – это твердотельные полупроводниковые устройства, которые преобразуют разницу температур и тепловой поток в полезный источник постоянного тока.Полупроводниковые устройства термоэлектрического генератора используют эффект Зеебека для генерации напряжения. Это генерируемое напряжение управляет электрическим током и производит полезную мощность на нагрузке.

Модуль термоэлектрического генератора

Термоэлектрический генератор – это не то же самое, что термоэлектрический охладитель. (также известный как TEC, модуль Пельтье, чипы охлаждения, твердотельное охлаждение)

Термоэлектрический охладитель работает наоборот, чем термоэлектрический генератор. Когда на термоэлектрический охладитель подается напряжение, возникает электрический ток.Этот ток вызывает эффект Пельтье. Благодаря этому тепло перемещается с холодной стороны на горячую. Термоэлектрический охладитель также является твердотельным полупроводниковым прибором. Компоненты такие же, как у термоэлектрического генератора, но конструкция компонентов в большинстве случаев отличается.

В то время как термоэлектрические генераторы используются для выработки энергии, термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) используются для отвода или добавления тепла. Термоэлектрическое охлаждение находит множество применений в охлаждении, обогреве, охлаждении, контроле температуры и терморегулировании.

В остальном этот пост посвящен термоэлектрическим генераторам.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

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

Пара термоэлектрических генераторов Термоэлектрический генератор (пеллеты, кубики, полупроводники, термоэлементы)

Эффект Зеебека – это прямое преобразование энергии тепла в потенциал напряжения.Эффект Зеебека возникает из-за движения носителей заряда внутри полупроводников. В легированных полупроводниках n-типа носителями заряда являются электроны, а в легированных полупроводниках p-типа носителями заряда являются дырки. Носители заряда диффундируют от горячей стороны полупроводника. Эта диффузия приводит к скоплению носителей заряда на одном конце. Это накопление заряда создает потенциал напряжения, который прямо пропорционален разнице температур в полупроводнике.

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Для термоэлектрических генераторов обычно используются три материала.Эти материалы представляют собой теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Какой материал используется, зависит от характеристик источника тепла, радиатора и конструкции термоэлектрического генератора. Многие материалы для термоэлектрических генераторов в настоящее время проходят исследования, но еще не реализованы.

Теллурид сурьмы и висмута (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Для создания модуля термоэлектрического генератора многие пары p-типа и n-типа электрически соединяются последовательно и / или параллельно для создания требуемых электрического тока и напряжения.Пары помещаются между двумя параллельными керамическими пластинами. Пластины обеспечивают жесткость конструкции, плоскую поверхность для монтажа и диэлектрический слой для предотвращения коротких замыканий.

Модуль термоэлектрического генератора

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

До недавнего времени считалось, что Томас Зеебек открыл то, что сегодня известно как эффект Зеебека. Сейчас считается, что Алессандро Вольта открыл эффект Зеебека за 27 лет до Томаса Зеебека.Открытие произошло за 224 года до написания этой статьи.

В 1794 году Алессандро Вольта провел эксперименты, в которых он придал железному стержню U-образную форму. Один конец стержня нагревали, погружая его в кипящую воду. Когда неравномерно нагретый стержень был электрически соединен с уже не живой ногой лягушки, через ногу лягушки пропускался ток, и мышцы сокращались. Считается, что это первая демонстрация эффекта Зеебека.

Алессандро Вольта

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что когда одно из стыков двух соединенных разнородных металлов нагревается, стрелка компаса, расположенная на близком расстоянии, вращается.Первоначально это называлось термомагнитным эффектом. Позже было обнаружено, что напряжение и, следовательно, ток индуцировались нагревом перехода. Ток создавал магнитное поле по закону Ампера. Это индуцированное напряжение из-за нагрева перехода стало известно как эффект Зеебека.

Термоэлектрический генератор энергии | Британника

Полная статья

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

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

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

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

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

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

Основные типы термоэлектрических генераторов

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

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

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

Генераторы на атомном топливе

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

Постройте термоэлектрический генератор, подобный генераторам, которые используются для миссий в глубоком космосе

Как вы можете видеть по вольтметру, я получаю 1,2 милливольта. Это немного, но кое-что. (Если вам интересно, масса на горячей пластине должна подтолкнуть соединение медь-сталь вниз для хорошего контакта.)

Здесь вы видите эффект Зеебека (названный в честь Томаса Зеебека). Два разных металла вместе при двух разных температурах могут создавать электрический ток. Эффект более выражен при большей разнице температур, и некоторые комбинации металлов работают лучше, чем другие, но вот он, ваш термоэлектрический генератор.

На самом деле, вы можете сделать генератор лучше, используя полупроводник вместо двух разных металлов, но двухметаллический вариант построить намного проще.Вот демонстрация полупроводника. Устройство зажато между двумя алюминиевыми ножками, одна ножка находится в горячей воде, а другая – в холодной. Выход из устройства идет в небольшой электродвигатель сверху.

Итак, как это работает? Почему из-за разницы температур (для разных металлов) возникает электрический ток? Я не буду вдаваться в подробный рассказ о , так как это займет слишком много времени. Но вот мой суперкороткий ответ: у электрического проводника есть свободные заряды, которые могут перемещаться (в некоторой степени).Когда вы прикладываете электрическое поле, эти заряды перемещаются и создают электрический ток. Обычно мы думаем об этих зарядах как об электронах, но это может быть что-то еще. Если вы возьмете металл и сделаете один конец горячим, а другой – холодным, электроны на горячей стороне будут иметь больше энергии и двигаться дальше. Эти более горячие электроны распространяются, и на холодном конце электроны имеют меньше энергии. Степень разделения заряда зависит от конкретного металла.

Теперь возьмем другой металл с двумя концами при разных температурах.Но поскольку этот металл отличается от первого, у него будет другое разделение заряда на горячем и холодном концах. Когда эти разные металлы соединяются вместе, они образуют батарею – не очень хорошую батарею, но все же это как батарея. И бум – вот и твой термоэлектрический генератор.

Если вы думаете о создании термоэлектрического генератора для питания вашего дома, у меня плохие новости. Эти вещи очень неэффективны. Чтобы извлечь из них что-то полезное, нужны довольно большие перепады температур.Однако есть и хорошие новости. Эти термоэлектрические генераторы не имеют движущихся частей. Отсутствие движущихся частей означает, что они маленькие и довольно надежные. И поэтому они используются в некоторых космических кораблях (например, «Вояджер», «Кассини» и др.). Чтобы изменить температуру, космический корабль будет использовать радиоактивный источник, который остается очень горячим – вот и все. Так работает ваш радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ). Это похоже на скрепку и генератор из медной проволоки, только лучше.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.