Термоэлектрогенератора: Термоэлектрогенератор

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

Термоэлектричество: современность

October 09, 2014 2:07pm

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

---

 

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

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

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

USB-охладитель напитков на основе элемента Пельтье

 

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

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

Сейчас производят и предназначенные для туристов приборы, позволяющие подзарядить при помощи костра свой телефон. Но на термоэлектричество обращают пристальное внимание и крупные компании, выпускающие технику, снабженную двигателями внутреннего сгорания.

В таких двигателях, например, в автомобилях выделяется достаточно много тепла, и расходуется это тепло совершенно зря. Если использовать его для генерации электроэнергии, автомобиль станет куда более экономичным. Пока термоэлектрические генераторы устанавливают в экспериментальных образцах. Но концерн BMW намерен уже ближайшие годы начать их применение в серийных автомобилях.

Есть и еще одна сфера, где работает эффект Зеебека. Это разнообразные тензорезисторы, датчики давления и температуры. Температурные датчики, основанные на возникновении электрического тока при нагревании, оказались очень точны, а размер их весьма мал. Определение потерь тепла в различных производствах, регистрация тепловыделения животными и растениями в биологических опытах – все это случаи, где применяют такие датчики. Сейчас становятся все более востребованными технологии Energy Harvesting, основанные на использовании маломощных автономных электронных устройств, которые работают, не требуя замены батареи.

От термоэлектрических генераторов получают энергию беспроводные датчики, сенсоры, системы контроля параметров и передачи информации в труднодоступных или подвижных частях оборудования. Еще одна сфера применения – системы управления отоплением помещений внутри дома и снятия показаний с различных счетчиков учета расходуемых ресурсов («умный дом»).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

   

Источник: polit.ru

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.

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

«Кунсткамера на берегах Енисея»

10 марта 2021

Кабинет редкостей, необычные экспонаты, предметы нумизматики и этнографии — выставка музейных редкостей открывается в Музее-усадьбе Г.В. Юдина.

Проект «Что расскажет нам предмет»: «Иконы Василия Мангазейского»

3 марта 2021

Василий Мангазейский – первый сибирский святой. Уже более трехсот лет православные верующие чтят его память. Его образ был популярен в сибирской иконописи. Коллекция изображений Василия Мангазейского имеется в фондах Красноярского краевого краеведческого…

«Мир Шолохова»

24 февраля 2021

В Красноярском краеведческом музее открылась фотовыставка, созданная совместно с Государственным музеем-заповедником М.А. Шолохова.

Термоэлектрогенератор – Справочник химика 21

    Термоэлектрогенераторы и агрегаты с турбинками применяются в виде опытных установок. [c.170]

    Годовую стоимость защиты 1 км трубопровода катодной станцией с термоэлектрогенератором определяют по формуле [c. 203]

    В качестве источника тока применяют выпрямители, двигатели внутреннего сгорания, ветряные двигатели с генераторами постоянного тока, термоэлектрогенераторы и т.д. [c.153]

    Автоматизированные электростанции с термоэлектрогенераторами аппаратура связи, телемеханики и автоматики  [c.41]

    Мачты (башни) и сооружения необслуживаемой малоканальной радиорелейной связи трубопроводов, термоэлектрогенераторы 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 [c.42]

    Если сравнивать термоэлектрогенератор с аккумуляторной батареей или с любым другим аналогичным устройством, то последние при низких температурах практически перестают работать. Для термогенератора же низкие температуры даже предпочтительнее – в этом случае возрастает важный технический параметр – разность температур спаев ТЭГ. [c.33]

    Термоэлектрогенератор дает напряжение, которое является суммой термоЭДС каждого элемента, умноженной на разность температур.  [c.34]

    Термоэлектрогенератор – идеальный источник тока для межпланетных сообщений. Единственный его конкурент в данном применении — фотоэлемент – перестает работать в отсутствии Солнца или на значительном удалении от него (за орбитой Марса). Источником же теплоты для термоэлектрогенератора могут быть радиоактивные изотопы, период полураспада которых составляет сотни и тысячи лет. [c.35]

    Интересным применением термоэлектрогенератора является электростимулятор сердечной мышцы – термоэлемент, который вживляется под кожу пациента. Здесь источником теплоты также служит радиоактивный изотоп. [c.35]

    Разумеется, термоэлектрогенераторы находят широкое применение и там, где использование традиционных источников тока связано с определенными сложностями (энергопитание автономных метеостанций, сигнальных знаков в труднодоступных регионах планеты). [c.35]

    Как и все источники тока, работающие в электрических цепях, термоэлектрогенератор имеет два основных режима работы режим максимальной электрической мощности и режим максимального КПД.  [c.35]

    Возможность применения термоэлектрогенераторов в нестационарном режиме обусловлена тем, что величина электродвижущей силы, возникающей в ветвях ТЭГ, не зависит от формы градиента температур в ветвях, важна разность температур. При этом температура холодного спая может быть близка (пространственно) к температуре горячего спая. Поэтому, если на горячий спай ТЭГ подать мощный кратковременный тепловой импульс, необходимая термоэлектродвижущая сила возникает почти мгновенно и поддерживается постоянной в течение промежутка реального времени (вплоть до не- [c.37]

    Сначала вспомним основные выражения для коэффициента полезного действия т термоэлектрогенератора (ТЭГ) и коэффициента преобразования термоэлектрического охладителя (ТЭО) [c.59]

    МКС. Арсенид индия — один нз наиболее перспективных материалов для изготовления сверхвысокочастотных транзисторов, предназначенных для работы при низких температурах, а также один из лучших материалов для термоэлектрогенераторов и инфракрасных детекторов.  [c.283]

    Для питания током станций катодной защиты могут быть использованы термогенераторы. Однако мощность освоенных промышлен-ностью термоэлектрогенераторов (типов ТГ-3, ТГК-9, ТГУ-1, ТГ-10, [c.183]

    ВНИИСТ разработал станцию с термоэлектрогенератором мощностью в 200 вт, которая проходит производственные испытания. [c.183]

    В соответствии с рассчитанными параметрами выбирают катодную станцию. Выбор типа катодной станции определяется, в первую очередь, наличием сетей электроснабжения вблизи трассы магистрального трубопровода. Если электролиния проходит параллельно трассе, то при выборе места установки катодной станции основное значение имеет длина защитной зоны. При отсутствии электросети применяются катодные станции с термоэлектрогенераторами или генераторами с приводом от двигателя внутреннего сгорания, работающим, например, на газе, отбираемом от магистрального трубопровода. Выбор того или иного устройства определяется техникоэкономическим расчетом.  [c.245]

    В качестве источников постоянного тока нашли применение термоэлектрогенераторы. Мощность освоенных промышленностью термоэлектрогенераторов (типов ТГ-3, ТГК-9, ТГУ-1, ТГ-10, ТГ-16) незначительна (в пределах 3—16 вт), а коэффициент полезного действия очень низок (для ТГ-3 к.п.д. равен 0,6—0,75%). Разработаны и проходят испытание установки с термоэлектрогенератором мощностью 200 вт. [c.271]

    Учитывая специфику расплавов, можно полагать, что тройные соединения найдут эффективное применение в термоэлектрогенераторах, использующих в качестве источника тепла радиоактивный распад. Жидкие термоэлементы, в та- [c.319]

    Рассмотрим факторы, определяющие возможность и эффективность применения тройных тетраэдрических соединений в качестве материала для солнечных термоэлектрогенераторов. [c.320]

    Достигнутые к настоящему времени значении результирующего кид солнечных термоэлектрогенераторов близки к 1 (). Можно полагать, что ирименение жидких полупроводников позволит, учитывая низкую фононную теплопроводность, повысить кпд по крайней мере вдвое. Проведенные на расплавах тройных полупроводников измерения вязкости показывают, что теплопередача в жидких термоэлементах за счет конвективных потоков должна быть достаточно малой при предполагаемых рабочих температурах. [c.322]

    Несмотря на относительно малый кпд, не вызывает сомнений целесообразность и экономическая эффективность получения электроэнергии в соответствующих климатических условиях с помощью солнечных генераторов. Отсутствие движущихся частей (если не считать следящих солнечных электрогенераторов с острой фокусировкой), возможность полной автоматизации работы и дистанционного управления, высокая надежность и долговечность могут сделать солнечные термоэлектрогенераторы на легкоплавких тро ” ных полупроводниках вполне конкурентноспособными, например, по отношению к небольшим бензиновым электрогенераторам [7].  [c.322]

    Электрические двигатели — генераторы и одноякорные преобразователи — сложны в эксплуатации и имеют низкий к. п. д., поэтому они применяются лишь там, где есть электросети постоянного тока. Термоэлектрогенераторы и агрегаты с турбинками используются только как опытные УКЗ. Катодные станции с двигателями внутреннего сгорания из-за сложности эксплуатации и необходимости частого ремонта их применяются ограниченно. Более широко распространены ветроэлектростанции. Однако наи- [c.46]

    КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ТУРБИНКАМИ, ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРАМИ И ХИМИЧЕСКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ТОКА [c.73]

    За последние годы появилась возможность использовать полупроводники в термоэлектрогенераторах. При защите трубопроводов, транспортирующих топливо, применение катодных станций с термоэлектрогенераторами позволяет применять их в районах, где отсутствуют электросети и хорошие ветры.  [c.74]

    О теллуридах ртути и кадмия говорилось в гл. XI, 6. Весьма интересным полупроводником является стибид цинка 2п5в. Он имеет дырочную проводимость и служит хорошим материалом для изготовления термоэлементов для термобатарей и термоэлектрогенераторов. Кроме ZhSb, известны и другие стибиды цинка, а также стибиды, арсениды и фосфиды цинка и кадмия, также являющиеся полупроводниковыми материалами. [c.365]

    Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение вследствие простоты монтажа и эксплуатации, высокой технологичности и невысокой стоимости. Обычно применяют сетевые источники питания, представляющие собой специальные выпрямители (катодные станции). В значительно меньших объемах применяют автономные катодные станции, содержащие источники постоянного тока термоэлектрогенераторы, турбоальтертаторы, фотоэлектрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания с электрическими генераторами. Катодная защита осуществляется установкой, включающей катодную станцию, дренажную линию, анодное заземление и контрольно-измерительные пункты (рис. 31). Отрицательная клемма катодной станции соединяется катодной дренажной линией с защищаемым сооружением. Место соединения дренажной линии с сооружением называется точкой дренажа. Положительная клемма катодной станции соединяется анодной дренажной линией с заземлением, называемым анодным. Ток, стекающий с анодного заземления в землю, вызывает растворение анодных заземлителей. Поэтому с целью обеспечения долговечности анодного заземления стараются использовать малорастворимые анодные материалы. [c.76]

    Энергетическим параметром, определяющим электрическую мощность, генерируемую термоэлектрогенератором, является величина а о (коэффициент мощности). В режиме максимальной У электрические сопротивления термоэлектрогенератора и нагрузки должны быть равными. В режиме т п1ах соотношение сопротивлений должно подчиняться уравнению [c.35]

    Примерно 100 лет эти открытия оставались вещью в себе , любопытными фактами, не более. И не будет преувеличением утверждать, что новая жизнь обоих этих эффектов началась после того, как Герой Социалистического Труда академик А. Ф. Иоффе с сотрудниками разработал теорию применения полупроводниковых материалов для изготовления термоэлементов. А вскоре эта теория воплотилась в реальные термоэлектрогенераторы и термо-злёктрохолодильники различного назначения. [c.64]

    В частности, термоэлектрогенераторы, в которых использованы теллуриды висмута, свинца и сурьмы, дают энергию искусственным спутникам Земли, навигационно-метеорологическим установкам, устройствам катодной защиты магист- ральных трубопроводов. [c.64]

    Все большее применение находят соединения В. в полупроводниковой технике (AgBiSg), в фотоэлементах (BiAg s). Увеличивается потребление В. в соединениях с селеном и теллуром для произ-ва охлаждающих устройств, термостатов и термоэлектрогенераторов. Эти соединения из-за благоприятного сочетания теплопроводности, электропроводности и термоэдс позволяют преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую (кпд прямого преобразования на основе теллуридаВ. достигает 10—11%). [c.189]

    В частности, термоэлектрогенераторы, в которых использованы теллуриды висмута, свинца и сурьмы, дают энергию искусственным спутникам Земли, навигационнометеорологическим установкам, устройствам катодной защиты магистральных трубопроводов. Те же материалы помогают поддержать нужную температуру во многих электронных и микроэлектронных устройствах. [c.19]

    Специфика физико-химических свойств исследованных тро1шых тетраэдрических соединений, относительная дешевизна и доступность компонентов большинства этих веществ по сравнению, в частности, с германием и особо чистым кремнием, слабая зависимость термоэлектрических иара.мет-ров соединений от некоторого отклонения их состава от стехиометрического дают основания сделать вывод о безусловной практической перспективиости этих веществ в качестве материала для солнечных термоэлектрогенераторов. [c.322]

    В зависимости от местных условий применяемые в катодных станциях источники постоянного тока можно разделить на две-основные группы. К первой группе относятся различные преобразующие устройства выпрямители, двигатель-генераторы и одпо-якорные преобразователи ко второй — генерирующие устройства ветроэлектростанции, электростанции с двигателями, работающими на топливе из трубопровода или на привозном топливе, термоэлектрогенераторы, агрегаты с турбинками и химические источники тока (последние не получили широкого распространения, так как их можно использовать только при пезначитель-ных токах в цепи УКЗ). [c.46]

    Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектрического эффекта. Сущность его заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных лгетал-лов между их свободными концами, имеющими более низкую температуру (чем место спая), возникает разность потенциалов или так называемая термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.). При замыкании свободных концов на какое-либо сопротивление в цепи возникает электрический ток. Таким образом, при термоэлектрических явлениях происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.  [c.74]

    Более мощнылш термоэлектрогенераторами являются термогенераторы ТГК-9 и ТГУ-1, внешне совершенно не отличающиеся друг от друга. Различие состоит лишь в конструкции термоэлементов и технологии их изготовления. В ТГК-9 те же термоэлементы, что и в генераторе ТГК-3, но других размеров. В ТГУ-1 конструктивные особенности термоэлементов позволили получить более высокое значение к. п. д. [c.75]

    Отдаваемая мощность. термоэлектрогенератора ТГУ-1 14 вт, тогда как мощность, отдаваемая ТГК-9, всего 9,6 вт. В качестве источника тепла для обоих термоэлектрогенератороэ применен обычный керогаз. [c.75]

---

Термоэлектрогенератор – Энциклопедия по машиностроению XXL

Термоэлектрические преобразователи. Солнечные термоэлектрогенераторы разрабатываются двух типов [160] без солнечных концентраторов  [c.192]

Повышение к. п. д. термоэлектрогенератора путем снижения температуры холодных спаев достигается в космических условиях с помощью дополнительных излучающих ребер с нанесенным покрытием (е>0,85).  [c.195]

Рис. 8-12. Зависимость к. и. д. солнечного термоэлектрогенератора от температур горячих и холодных спаев и коэффициента К.

Перспективным является применение в солнечных термоэлектрогенераторах концентраторов с покрытием на теневой стороне, обладающим высоким значением степени черноты, что увеличивает температурный перепад и повышает к. л. д.  [c.196]

Принцип, на котором работает наша электростанция, называемая термоэлектрогенератором, был открыт очень давно, еще в 1821 году. Немецкий ученый Т. Зеебек установил, что если спаять концы двух проволочек из разных металлов и затем один из спаев нагреть, а другой охладить, то по проволочкам пойдет ток.  [c.86]

Устройство нашего термоэлектрогенератора не сложно. В этом колпаке находятся полупроводниковые элементы, соединенные последовательно друг с другом. Спаи, обращенные к стеклу лампы, нагреваются ее пламенем, обращенные наружу, охлаждаются воздухом. Чтобы увеличить охлаждение, и сделаны выступающие пластины…  [c.87]

Помню, как я был изумлен этим рассказом… Тогда это казалось почти чудом. Да и не только мне. Фотографии термоэлектрогенератора, выпускаемого в Советском Союзе, обошли весь мир. На зарубежных выставках у этого экспоната останавливались толпы людей.  [c.87]

К сожалению, пока это невозможно. Лучшие полупроводниковые термоэлектрогенераторы превращают в электрический ток не больше десяти процентов тепла. Это в три-четыре раза меньше, чем удалось достигнуть на электростанциях обычного типа.  [c.87]

Батареи термоэлектрогенераторов могут также обогреваться солнечными лучами. Даваемая ими электрическая мощность будет в этом случае тем больше, чем большее количество лучистой энергии в единицу вре-  [c.204]

ТИГ могут использоваться в комбинации с паротурбинными или газотурбинными установками, при этом общий к. п. д. установки повышается до 50—60%. Возможно использование ТИГ в комбинации с термоэлектрогенератором. В этом случае ТИГ будет работать в зоне высоких температур, а термоэлектрогенератор — в зоне низких температур цикла.  [c.106]

Термоэлектрогенератор представляет собой батарею последовательно или параллельно соединенных термоэлектрических элементов, в которых при нагреве горячего спая и охлаждении холодного спая возникает электрический ток определенной силы и напряжения (согласно законам Зеебека, Пельтье и Томсона).  [c.108]

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова 14 августа 1964 г. вступил в эксплуатацию ядерный реактор-преобразователь Ромашка . Это первая в мире установка, в которой осуществлено непосредственное преобразование тепловой энергии ядер-ной реакции в электрический ток с помощью термоэлектрогенератора из полупроводниковых термоэлементов.  [c.111]

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников питания на космических объектах. В США разрабатывается термоэлектрогенератор Sисточником тепла в котором служит радиоактивный изотоп полония (Ро ). Материал термоэлементов в этом генераторе — теллуриды свинца р и п-типов. Температура горячего спая 593° С, холодного спая — 204° С. Примерно 27 пар термоэлементов. Напряжение при макси-  [c.111]

Разрабатываются термоэлектрогенераторы, тепло к которым подводится от ядерного реактора с помощью жидкометаллических теплоносителей, циркулирующих в первом контуре реакторной установки.  [c.112]

Предполагается использовать в качестве одной ветви термоэлемента карбид урана. Для получения разности потенциалов 1 В требуется температура горячего спая 1000° С. При 2000° С ток может достигать 50—60 А/см поверхности карбида урана с напряжением 2 В. Это позволяет получить электрическую мощность более 750 Вт на 1 см поверхности термоэлектрогенератора. Материалом второй ветви могут служить, например, пары цезия.  [c.112]

Если мощность термоэлектрогенераторов достигнет величин 1000—5000 кВт при к. п. д. 15—20% и при приемлемой стоимости установленного киловатта, то они найдут широкое применение как в стационарных энергетических установках малой мощности, так и в различных транспортных установках.  [c.112]

Создание подобных установок связано с решением многих технических проблем, включая создание систем приема, преобразования и передачи вырабатываемой солнечными термоэлектрогенераторами электроэнергии.  [c.113]

Приступим теперь к анализу процессов, происходящих в термоэлектрогенераторе. Как и всякая тепловая машина, термоэлектрогенератор может превращать тепло в работу только в том случае, если имеются источники тепла с разными температурами.  [c.404]

Если обозначить электрическое сопротивление собственно термоэлектродов через г, а внешнее сопротивление через R, то работа электрического тока, величина которой определяется уравнением (12-8), будет расходоваться на преодоление внутреннего сопротивления (джоулевы потери внутри термоэлектрогенератора ( д,) и на преодоление внешнего сопротивления, т. е. на совершение полезной внешней работы Следовательно, можно записать, что  [c.405]

Что касается джоулева тепла выделяющегося в электродах термоэлектрогенератора, то с достаточной степенью точности можно считать, что половина этого количества тепла поступает к горячему спаю (т. е. в горячий источник), а другая половина — к холодному спаю (т. е. в холодный источник).  [c.405]

Итак, в процессе работы термоэлектрогенератора из горячего источника отбирается тепло Пельтье QI и тепло Q , отводимое путем теплопроводности. В то же время горячему источнику возвраш ается примерно половина количества тепла, выделяюш егося в виде джоулевых потерь в термоэлектродах. Следовательно, количество тепла отбираемого из горячего источника, равно  [c.405]

Обычно термоэлектрическую цепь термоэлектрогенератора выполняют не так, как изображено на рис. 12-2, а так, как показано на рис. 12-3, — цепь  [c.406]

Подставив в уравнение (12-10) значения и L из уравнений (12-21) и (12-14), получим следующее выражение, определяющее величину силы тока в цепи термоэлектрогенератора  [c. 407]

С учетом (12-26), (12-27), (12-28) и (12-20) уравнение (12-15) для термического к. п. д. термоэлектрогенератора может быть представлено в следующем виде  [c.408]

Как видно из этого выражения, термический к. п. д. термоэлектрогенератора зависит от температур и Т , величины v и свойств термоэлектродных материалов (величины Л, г и а).  [c.408]

Очевидно, что вторая дробь, стоящая в правой части уравнения (12-29а),. всегда меньше единицы она учитывает уменьшение термического к. п. д. термоэлектрогенератора по сравнению с термическим к. п. д. цикла Карно, обусловленное необратимыми потерями вследствие теплопроводности и выделения джоулева тепла.  [c.408]

Аналогичным образом для определения оптимального значения т] следует продифференцировать по v уравнение (12-29а) с последующим приравниванием полученного результата нулю. Этот расчет показывает, что максимального значения термический к. п. д. термоэлектрогенератора достигает при  [c.409]

На рис, 12-4 приведен рассчитанный по уравнению (12-35а) график зависимости rij термоэлектрогенератора от z для разных значений Г, при  [c.409]

Перспективы создания эффективных термоэлектрогенераторов определяются возможностью получения материалов термоэлектродных пар с высоким значением z. При этом важно, чтобы эти материалы были устойчивы при высоких температурах.  [c.409]

На рис. 8-12 показаны значения к. п. д. солнечного термоэлектрогенератора при различных значениях Ti, Т2, К, где K—AaJA —коэффициент концентратора солнечной радиации.  [c.195]

На рис. 8-16 показана схема маломощного изотопного термоэлектрогенератора SNAP-3 с поверхностью корпуса, имеющей покрытие с высокой степенью черноты и достаточной для охлаждения холодного спая. Типичные схемы для более мощных термоэлектрогенераторов показаны на рис. 8-17 [160].  [c.197]

Практически во всех аппаратах, использующих лучистую энергию Солнца (фотовольтаические преобразователи, термоэлектрогенераторы, термоэмиссионные преобразователи, водонагреватели, опреснители, кондиционеры, холодильники и т. д.), используются покрытия с высокими значениями излучательной и поглощательной способностей.  [c.217]

В плоской термоэлектрической батарее оба электроизоляционных перехода представляют собой плазменно напыленный на коммутационные пластины алунд (АЦО,) толщиной 2-10- м. Покрытие пропитано кремнийоргани-ческим лаком (для улучшения диэлектрических свойств) и контактирует с поверхностями теплопроводов из 12Х18Н9Т через герметик У-1-18. При этом термосопротив ления переходов, равные 2-10- и 3-10- м -К/Вт со Topoi ны холодного Тхп = 323 К) и горячего (Тг = 523 К) теплопроводов соответственно (как в вакууме, так и в воздухе), вместе составляют 15% от общего термосопротивления батареи. Известно, что выражение для абсолютного электрического к. п.д. термоэлектрогенератора имеет вид  [c.218]

Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение вследствие простоты монтажа и эксплуатации, высокой технологичности и невысокой стоимости. Обычно применяют сетевые источники питания, представляющие собой специальные выпрямители (катодные станции). В значительно меньших объемах применяют автономные катодные станции, содержащие источники постоянного тока термоэлектрогенераторы, турбоальтертаторы, фотоэлектрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания с электрическими генераторами. Катодная защита осуществляется установкой, включающей катодную станцию, дренажную линию, анодное заземление и контрольно-измерительные пункты (рис. 31). Отрицательная клемма катодной станции соединяется катодной дренажной линией с защищаемым сооружением. Место соединения дренажной линии с сооружением называется точкой дренажа. Положительная клемма катодной станции соединяется анодной дренажной линией с заземлением, называемым анодным. Ток, стекающий с анодного заземления в землю, вызывает растворение анодных заземлителей. Поэтому с целью обеспечения долговечности анодного заземления стараются использовать малорастворимые анодные материалы.  [c.76]

Разработан принципиально новый проект солнечной электроста нции мощностью 10 тыс. кет для Средней Азии, по которому паровой котел заменяется термоэлектрогенераторами из полупроводниковых материалов. Солнечная энергия на такой станции будет перерабатываться непосредственно в электрическую, минуя стадию механической энергии. Проверка этой станции в работе позволит найти наиболее выгодные конструктивные решения для большой солнечной энергетики будущего.  [c.86]

Размеры термоэлемента тем меньшие, чем большее количество тепла подводится через каждый квадратный сантиметр горячего спая. О возможной величине к. п. д. термоэлектрогенератора можно судить по рис. 58. Температуростойкость полупроводниковых материалов различна. Так, сплав Bi—Те допускает максимальную рабочую температуру 300° С, Ge—S,i — 800° С, Си— Те—S—1100° С. Применяемые в настоящее время полупроводниковые материалы имеют коэффициент эффективности 2 не более 2-10 град- (например, BiTe—BiaSea).  [c.110]

При эксплуатации термоэлектрогенераторов указанные выше к. п. д. могут уменьшаться из-за изменения свойств материала ветвей термоэлементов и соединений термоэлементов в батарее В настоящее время применяются три способа соединения терме элементов прессование, металлургические методы (пайка, сварка заливка жидким металлом) и жидкометаллический контакт Все три способа обеспечивают срок службы термоэлектрогенера торов более 10 ООО ч. Коэффициенты термического расширения полупроводниковых и коммутирующих материалов должны подби раться близкими по величине во избежание растрескивания кон тактов.  [c.111]

На рис. 59 показано устройство ядерного термоэлектрогенератора SNAP-10. При мощности 250 Вт и напряжении 28 В применено 768 термоэлементов, расположенных в 32 группах по 24 элемента в каждой. Активная зона реактора состоит из круглых пластин, горючим в которых служит а замедлителем —гидрид циркония, разделенных пластинами из бериллия. При применении бериллия в качестве замедлителя рабочая температура может быть повышена и мощность увеличена в несколько раз. Высота реактора 230 мм, диаметр 300 мм. Реактор разделен на две половины (подкритические массы), при сближении которых возникает цепная реакция. Термоэлементы отделены от несущей конструкции слоем электроизоляционного материала. Между термоэлементами имеется тепловая изоляция, уменьшающая утечки тепла.  [c.112]

В будущем следует ожидать расширения области применения термоэлектрогенераторов с неводяными рабочими телами. Ведутся исследования по использованию органических веществ в термоэлектрогенераторах для использования солнечной энергии. Рассматриваются проекты установок единичной мощностью до 20 млн. кВт на основе достижений в космической технике.  [c.113]

Термоэлектрический эффект может быть использован и для целей производства электроэнергии. Впервые вопрос о создании термоэлектрического генератора, основанного на использовании эффекта Зеебека, был поставлен еще в 1885 г. английским физиком Д. У. Рэлеем. Однако долгое время эта идея не была реализована вследствие того, что известные в то время термоэлектродные материалы позволяли соорудить термоэлектрические генераторы лишь с очень малым значением термического к. п. д. В 1929 г. советский физик А. Ф. Иоффе указал на большую перспективность использования в термоэлектрогенераторах полупроводниковых термоэлектродов. Дальнейшие работы А. Ф. Иоффе и его сотрудников, а также работы зарубеж-  [c.403]

---

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 на двадцатой части площади, необходимой для эквивалентной солнечной батареи. Кроме того, производительность составляет 24 часа в сутки, пока есть источник тепла и сторона 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, поэтому может быть достигнута максимальная мощность 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 на 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 материалом в классе PbTe N-Type, образуя 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 разным 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 воздействие низких температур от 70 ° C до 80 ° C горячей стороны. Воздействие более высоких температур приведет к тому, что модуль либо разобьется, либо соединятся, либо оплавятся, и они не станут хорошими генераторами энергии!

2.Эффект Зеебека: этот эффект создает перепад 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, так как только 100 Вт преобразуется в мощность.
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.

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 термоэлектрического генератора. 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 в коммерческих целях.

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, чтобы создать требуемый электрический ток и напряжение.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 при нагревании одного из стыков двух соединенных разнородных металлов 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.

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 материнские платы – жесткие подключаемые модули ». 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 с использованием термоэлектрических (ТЕ) пленок ( 7 , 8 ), термоэлектрических материалов ( 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 сшивания 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). Чтобы улучшить кристалличность и производительность, мы затем обрабатывали термоэлектрические пленки при 320 ° C в течение 26 минут в атмосфере аргона. Затем с помощью термического 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 пазов (рис. S3B), а затем с последующей трафаретной печатью электрических проводов из жидкого металла (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 электрических проводов ( 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. Соотношение между выработкой электроэнергии ( P, , _из ) и выходным напряжением ( В, , _{, нагрузка} ) при различных перепадах температур приведено на рис.2А. На рисунке 2B показано, 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 указывают на превосходную тепловую и электрическую стойкость 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 к переработке (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 (C) – это линейная аппроксимирующая кривая. ( D ) Столетнее испытание на долговечность при температуре горячей стороны ( T _hot ) 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 всему 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 с термоэлектрическими ногами 112 на коже человека, когда пользователь сидел и ходил.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 деформаций 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 деформаций в полиимиде и Au-Ge от 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 очевидных изменений. На рис. 3F показано относительное изменение сопротивления и выходная мощность 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 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 немедленно 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 в центре).После 1,5-часового заживления при комнатной температуре на границе раздела образуются достаточные ковалентные связи, 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 модули, включенные последовательно или параллельно, 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 на основе аналогичной самовосстанавливающейся подложки, чтобы сформировать автономную сенсорную систему с автономным питанием.

Улучшение характеристик ТЭГ на открытом воздухе с помощью пленки из метаматериала

Солнечное излучение, внешнее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на характеристики носимого 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 холодной стороны на единицу площади, P _nonrad и P _rad – безызлучательная теплопередача 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 излучать 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 солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм) и сравнимый коэффициент излучения в окне пропускания атмосферы (от 8 до 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 и 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 связано с тем, 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 электроэнергии составляет всего лишь 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 благодаря их одинаковому высокому коэффициенту 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 является многообещающим 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 еще больше 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) был смешан 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 за счет 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 проверялись 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. ↵

5. 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.

6. ↵
7. ↵
8. ↵
9. ↵
10. ↵
11. ↵
15. ↵
16. ↵
17. ↵
18. ↵
19. ↵
20. ↵
23. 9050
24. ↵
29. ↵
30. ↵
31. ↵
32. ↵
33. ↵
35. ↵
36. ↵
37. ↵

39. 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 термоэлектричеству , Кардифф, Великобритания, 9–11 апреля 2006 г. (2006 г.).

40. ↵
41. ↵

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 механическое испытание и испытание 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 ТЕ-пленки, а также модифицированный жидкий металл и полиимин. С.З. выполнено моделирование методом конечных элементов.Ю.С. и C.S. изготовили полиимин. W.R., Jialun Zhang и H.G. спроектировали 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).

Научное руководство по пониманию и использованию мощности TEG!

Науку (эффект Зеебека), лежащую в основе термоэлектрической генерации, часто называют феноменом.Мы считаем, что TEG, несомненно, необыкновенные и впечатляющие! Иногда они могут быть непонятными для понимания и трудными в использовании. Вот почему мы составили это краткое руководство, чтобы объяснить, как ТЭГ преобразуют тепло в энергию, из каких частей и компонентов они сделаны, и как вы можете легко использовать их для практических решений в области альтернативной энергетики. Независимо от того, находитесь ли вы вне сети, живете в отдаленных районах или в холодных условиях, возможно, для вас найдется приложение, в котором ТЭГ можно было бы использовать для преобразования отработанного тепла в электричество.

Начнем с того, что ТЭГ, сокращенно от термоэлектрического генератора, представляет собой устройство, которое преобразует разницу температур в электричество. Я объясню, как именно это происходит (эффект Зеебека) позже. Но сначала давайте рассмотрим общую терминологию TEG. Знание этих терминов и их взаимосвязи поможет облегчить понимание TEG.

Термоэлектрический модуль
В основе ТЭГ находится термоэлектрический модуль (ТЕМ), который мы также называем ТЭГ-модулем (на рисунке справа показан ТЭГ-модуль от TEGpro).И внутри этого модуля TEG происходит волшебство (эффект Зеебека).

Термоэлектрический генератор
Генератор ТЭГ – это устройство, в котором в качестве основных компонентов используется один или несколько модулей ТЭГ, за которыми следует система охлаждения. Система охлаждения может быть пассивной воздушной, активной воздушной или гидравлической. Эти компоненты затем собираются в сборку, которая функционирует как единое целое, называемое термоэлектрическим генератором (здесь изображен ТЭГ-генератор Devil Watt с активным воздушным охлаждением).

Термоэлектрическая система
Делая шаг вперед, система ТЭГ включает другое оборудование в ТЭГ, например водяные насосы, электронику и прошивку. Это помогает расставить приоритеты по питанию и поддерживать охлаждение системы. Хорошим примером системы ТЭГ является система ТЭГ TEGpro мощностью 100 Вт с водяным охлаждением, которая будет циркулировать воду из системы водяного отопления плинтуса через ТЭГ с водяным охлаждением.

Теперь о науке.

Эффект Зеебека
Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что разница температур между двумя разными металлами приводит к разнице напряжений.Уделите несколько секунд, чтобы просмотреть изображение справа, вы увидите два разных электрических проводника, которые называются: P-типа и N-типа. Происходит то, что нагретые электроны текут к более холодным (см. Положительные / отрицательные стрелки, указывающие вниз). И когда эта пара подключается через электрическую цепь, через нее течет постоянный ток.

Эффект Зеебека в сравнении с эффектом Пельтье
Эффект Пельтье – это обратное явление. Вместо того, чтобы применять разность температур, через материалы пропускается электрический ток, в результате чего происходит нагрев или охлаждение.Наша цель состояла в том, чтобы определить их как можно проще и предоставить изображения для их представления, но если вам нужны определения из Википедии, их можно увидеть здесь.

Эффект Зеебека внутри модуля ТЭГ
Напряжение, создаваемое эффектом Зеебека, невелико и зависит как от используемого материала, так и от разницы температур. Однако внутри модуля ТЭГ имеется несколько пар P-типа и N-типа, которые можно соединить последовательно для увеличения выходного напряжения или параллельно для увеличения тока.На изображении справа вы можете видеть материалы P-типа и N-типа, последовательно соединенные желтыми линиями.

Как изготавливаются модули термоэлектрических генераторов?
Конструкция силового модуля Teg состоит из пар полупроводниковых материалов p-типа и n-типа с высоким термоэлектрическим коэффициентом. Хотя можно использовать многие сплавы, теллурид висмута является наиболее распространенным материалом, используемым сегодня. Этот материал нарезан на небольшие блоки, один из которых образует провод p-типа, а другой – провод n-типа.Каждая пара образует термоэлектрическую пару (ТЭП). Эти термопары чаще всего соединяются электрически, образуя массив из нескольких термопар (термобатареи). В отличие от припоя, используемого в конструкции ТЭО, для модулей термоэлектрических генераторов часто требуются припои, температура оплавления которых превышает 400 C.

Большинство компаний-производителей модулей термоэлектрических генераторов используют множество термоэлектрических пар, которые зажаты между двумя частями неэлектропроводных материалов. Также необходимо, чтобы этот материал был теплопроводным, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу, обычно используются две тонкие керамические пластины, чтобы сформировать так называемый термоэлектрический модуль.

Каждый модуль может содержать десятки пар термоэлектрических пар и называться модулями термоэлектрического генератора, модулями ТЕС и иногда модулями Пельтье или Зеебека, что просто означает, используются ли они для выработки электроэнергии (Зеебек) или для производства тепла или холода (Пельтье). . Функционально между ними нет никакой разницы. Оба они способны производить тепло и холод или вырабатывать электричество, в зависимости от того, используется ли тепло или электрический ток.

Однако существуют различия в производительности между различными модулями в зависимости от того, для чего они были изготовлены.Например, если модуль изготавливается для использования в автомобильном охладителе постоянного тока на 12 В, термоэлектрические пары будут более толстыми, как и провод, соединяющий модули с источником питания постоянного тока на 12 В. В большинстве случаев сам модуль довольно большой. Это связано с тем, что модуль будет проводить большую нагрузку по току и должен будет выдерживать нагрузку. Хотя этот тип модулей может использоваться для выработки электроэнергии, они не очень подходят для этой задачи, поскольку имеют высокое внутреннее сопротивление (снижение мощности) и более низкотемпературный припой, который может расплавиться при использовании в целях Зеебека.Это означает, что электрическое соединение может выйти из строя, когда к модулю будет приложено большее количество тепла, необходимого для выработки значительного количества электроэнергии.

Если термоэлектрический модуль изготавливается для использования в термоэлектрическом генераторе, он имеет свои собственные уникальные требования. Во-первых, они должны иметь самое низкое внутреннее сопротивление и высокотемпературный припой, например, из серебра, для соединения проводов. Также необходимо использовать проволоку с покрытием из ПТФЭ или стекловолокна, чтобы выдерживать высокие температуры.Силиконовые рукава из стекловолокна можно надевать на провода, чтобы обеспечить дополнительную защиту от высоких температур.

Сколько электроэнергии можно вырабатывать?
Вы можете быть сильно удивлены! Несмотря на то, что дровяная печь не считается источником отработанного тепла, ниже приведен пример того, сколько энергии вы можете произвести. Используется 15-ваттный дьявольский ватт-генератор, построенный на термоэлектрических модулях Tegpro. Выходная мощность этого термоэлектрического генератора составляет до 15 Вт, а светильник представляет собой 10-ваттный светильник EverLed LVL2 для скрытого монтажа.Компания Tegpro разработала термоэлектрические генераторы для дровяных печей, мощность которых превышает 200 Вт при производстве термоэлектрической энергии!

Потребность в энергии термоэлектрического генератора
Электричество – необходимость. Если вам когда-либо приходилось страдать из-за длительного отключения электроэнергии, вы бы знали, каково это – потерять всю еду в холодильнике. Если вы живете в холодном климате, ваш дом был холодным, потому что в нем нет тепла, так как большинству систем отопления требуется электричество для работы. Миллионы людей оказались в таком положении, когда зимний шторм отключил электричество на больших территориях.

Солнечные панели – отличный возобновляемый источник энергии, но они производят энергию только в дневное время. Их суточная выработка значительно снижается в более короткие дни в зимние месяцы. Использование генераторов TEG в холодном климате в сочетании с солнечной энергией может обеспечить все потребности вашего дома в энергии.

Преимущества термоэлектрического генератора
Когда вы сравните стоимость солнечных и термоэлектрических генераторов, живущих в холодном северном климате (на основе количества электроэнергии, которую они фактически производят в день), вы обнаружите, что термоэлектрические генераторы TEG Power стоят намного меньше за кВт / ч. чем солнечный.Фотоэлектрический эквивалент 100 Вт мощности ТЭГ, работающей на дровяной печи, составляет 660 Вт солнечных панелей или 2,4 кВтч в день. Это означает, что при усреднении 125-ваттной термоэлектрической мощности в доме в Вермонте можно производить такое же количество электроэнергии в день, как и 1000-ваттные солнечные фотоэлектрические панели. Если сравнивать затраты, диапазон цен на 1000 ватт солнечной энергии составит до 3000 долларов в зависимости от конкретной марки. Тогда как стоимость 125-ваттной термоэлектрической энергии может составлять всего 1200 долларов. В отличие от солнечных батарей, ТЭГ не зависят от солнца для выработки энергии.Если у вас есть постоянный источник тепла, например дрова или пеллеты, ТЭГ могут производить электроэнергию 24 часа в сутки. В отличие от генераторов на ископаемом топливе, ТЭГ имеют мало движущихся частей, кроме охлаждающих вентиляторов или насосов водяного охлаждения, и могут быть рассчитаны на более чем 100 000 часов непрерывной работы.

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, 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 вашим 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 файле 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.

Модули термоэлектрических генераторов

I Adaptive®

В нашем постоянно расширяющемся мире существует потребность в производстве сверхнизкой энергии из природных или ненужных источников энергии.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) вырабатывают электричество за счет разницы температур без движущихся частей, используя эффект Зеебека.

Большинство потерь энергии теряется в тепле, и большинство источников тепла являются статическими. Сегодня термоэлектрическая технология лучше всего работает там, где требуется выходная мощность до 70 Вт. Это подходит для датчиков и другой маломощной электроники в большинстве промышленных приложений.

Преимущества термоэлектрических генераторов Adaptive®

Низкие эксплуатационные расходы – твердотельная термоэлектрическая конструкция означает высокую надежность и практически не требует обслуживания.

Высокая эффективность – продукты с высокими техническими характеристиками означают, что энергия извлекается из естественных или отработанных источников тепла и преобразуется для использования практически без потерь энергии.

Высокие температуры – термоэлектрические модули работают с макс. темп. до 250 ° C, модули могут генерировать до 29 Вт мощности каждый.

Компактный и легкий – при использовании с микромодульными печатными платами термоэлектрические устройства подходят для встраиваемых системных приложений.

Масштабируемые приложения – модульная конструкция означает, что термоэлектрические элементы могут быть сконфигурированы для сбора большего количества энергии, когда это необходимо.

Приложения

Термоэлектрические компоненты могут использоваться в широком диапазоне приложений, от измерения температуры в опасных средах до утилизации энергии на автомобильных рынках.

Продукты

Используйте фильтр слева, чтобы выбрать подходящий размер и характеристики.

Как использовать листы технических данных модуля ТЭГ

Для ознакомительных целей на AdaptiveTE.com также можно приобрести ряд наших продуктов для сбора энергии.

.