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

Содержание

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 – 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]



Термоэлектрогенераторы, наноспутники и солнечные батареи. Как добыть энергию в космосе | Futurist

Космос Автор: Яна Жежер |  13 декабря 2017, 10:00

Любой космический аппарат, особенно предназначенный для длительной миссии, должен быть оснащен собственным источником энергии. В настоящее время широко используются солнечные батареи, фотовольтаические элементы и термоэлектрогенераторы. Однако им на смену уже скоро могут прийти наноспутники, оснащенные электродинамическими тросовыми системами.

Покорение глубокого космоса

Отправляясь в дальнее путешествие на машине, одним из важных аспектов будет постоянное слежение за наличием бензина. Конечно, необходимо тщательно просчитать маршрут, но базовая схема такова: как только его количество подходит к концу, нужно сделать остановку у ближайшей заправочной станции, запастись топливом и ехать дальше. До следующей заправки.

Ракеты и космические аппараты в этом ничем не отличаются от автомобилей – им тоже нужно топливо. Но есть одно «но» – заправок в космосе еще никто не построил. Что делать, если аппарат не просто нужно вывести на орбиту Земли, а совершить действительно длительное путешествие, за пределы Солнечной системы?

Сколько стоит отправить посылку в космос?

Если вы когда-нибудь зададитесь такой целью, вариантов решения проблемы на самом деле немного. Во-первых, можно пожертвовать всевозможным оборудованием на борту и отправить в космос действительно большой запас горючего. Скорее, это даже скорее просто будет гигантский летающий резервуар с топливом – настолько много его понадобится.

Сомневаемся, что вам такой способ придется по вкусу – каждый дополнительный килограмм веса при запуске ракеты обойдется вам очень и очень дорого. Если быть точнее, около десяти тысяч евро. Космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», относящиеся к так называемым «deep space probes» – космическим станциям, исследующим глубокий космос – бороздят Солнечную систему уже сорок лет. При всем желании отправить достаточно топлива для столь серьезных миссий у вас никак не получится по элементарным экономическим причинам. Да и о научной пользе от такого запуска говорить не придется, если от оборудования вроде камер, приемников и передатчиков информации придется по максимуму отказаться.

«Что значит, вы не были на Альфе Центавра?»

Технологии дозаправки в космосе действительно существуют, и в целом используются уже достаточно давно. Топливо доставляется на орбитальные космические станции и даже на отдельные спутники, хотя это сделать уже гораздо сложнее. В любом случае, речь идет именно об объектах, которые находятся на орбите Земли. Как только вы собираетесь преодолеть притяжение родной планеты и отправиться в глубокий космос, ни о какой дозаправке не может быть и речи. Космические заправочные станции – все еще удел научной фантастики, в реальности это и технологически и экономически сложно и крайне невыгодно. И клиентов будет немного.

Остается последний, третий вариант, в котором «каждый сам за себя»: вы каким-то образом вырабатываете энергию на борту своего космического аппарата самостоятельно.

Наследие Эйнштейна

На спутниках, находящихся на низких околоземных орбитах, имеющих высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км, или на геосинхронных орбитах, когда период обращения спутника вокруг Земли равен суткам, используются солнечные батареи. Их работа основана на фотовольтаическом (его еще называют фотогальваническим) эффекте, за счет которого при попадании света на некоторые вещества вырабатывается электрический ток.

Фотогальванические решетки имеют мощность от 100 ватт до 300 киловатт и являются относительно недорогим источником энергии с минимальными правилами безопасности при использовании.

Вездесущая радиация

Впервые фотовольтаическая энергия была использована 17 марта 1958 года, когда был запущен спутник «Авангард-1» с шестью солнечными панелями на борту. Они проработали более шести лет, вырабатывая 1 ватт мощности. При этом эффективность этих батарей, то есть отношение вырабатываемой энергии к тому количеству, которое в итоге реально может использоваться для питания приборов, была всего 10 %.

Фотогальванические ячейки необходимо устанавливать таким образом, чтобы покрыть максимальную возможную часть поверхности спутника. Требуется постоянно следить за их положением относительно Солнца – желательно всегда оставаться перпендикулярно падающему излучению, поскольку таким образом вырабатываемый ток будет наибольшим.

Также важно рассчитать, чтобы за время нахождения на Солнце спутник успел накопить достаточно энергии: 40-45% от всего времени путешествия по орбите аппарат находится в тени Земли и вырабатывать ток не может. В целом, на эффективность работы батарей влияет множество факторов, таких как зависимость от температуры, расстояние до светила, деградация электроники под действием постоянного излучения – их все необходимо не забывать принимать в рассмотрение при выборе конкретного типа фотовольтаических ячеек.

Тепло нашего Солнца

В космических аппаратах используются два типа приборов, преобразующих тепло в электроэнергию: статические и динамические. В основе статических термоэлектрогенераторов обычно лежит радиоактивный источник. В динамических термоэлектрогенераторах, активно внедряемых в спутниковых системах GPS, используют щелочные электрохимические ячейки.

В основе данного способа получения энергии лежит эффект Зеебека. Он проявляется, когда соединяются два различных материала, при этом еще и находящиеся при разных температурах. Из-за этих разностей возникает поток электронов из более горячего конца к менее горячему – мы получаем электрический ток. Само устройство для получения энергии называется термоэлементом или термопарой.

У эффекта Зеебека существует и обратное явление, эффект Пельтье, в котором при пропускании электрического тока через сплав двух проводников или полупроводников в одну сторону место соединения нагревается, а в другую – охлаждается. Эффект Пельтье используется в космосе для охлаждения электронного оборудования: из-за отсутствия конвекции в вакууме это оказывается довольно проблематичной задачей.

Для использования эффектов Зеебека и Пельтье, разумеется, необходим источник тепла. Для этого специалисты NASA разработали стандартизированный радиоизотопный термоэлектрический генератор, работающий на плутонии-238 с периодом полураспада 87.7 лет. На данный момент 41 подобный генератор используется на 23 космических аппаратах, мощностью от 2 до 300 ватт. Принципиальный минус использования радиоактивных изотопов – возможность загрязнения окружающей среды, если запуск миссии пройдет неудачно.

Когда не работает GPS – во всем виноват SAMTEC

Более эффективными должны стать динамические электрогенераторы. Их главное отличие от статических состоит в способе превращения механической энергии в электрическую. Если в термоэлектрических элементах тепло напрямую превращается в электричество, то в электрохимических концентрационных элементах для этих целей используется энергия расширения паров натрия.

В спутниках GPS нового поколения были внедрены термоэлектрические преобразователи типа Solar AMTEC (solar alkali metal thermal-to electric conversion – преобразователь тепловой энергии солнца в электрическую на основе щелочных металлов), или, сокращенно SAMTEC.

В генераторах SAMTEC приемник солнечной радиации нагревает резервуар с жидким натрием, который испаряется. Пары натрия пропускаются через специальную мембрану, отделяющую газ высокого давления (температурой 800-1000оС) от газа низкого давления (температурой 200-300оС). Из-за разницы давления положительно заряженные ионы натрия скапливаются с одной стороны фильтра, а отрицательно заряженные электроны – с другой. Создаваемая разность потенциалов может генерировать электрический ток в подключенной внешней цепи.

Эффективность ячеек SAMTEC составляет 15-40%, при этом срок действия – 10-12 лет без понижения производительности в условиях постоянного облучения в космосе. Вырабатываемая мощность может варьироваться от нескольких ватт до киловатт.

Космические нити

Космический трос – тонкий металлический канат, прикрепленный к орбитальному или суборбитальному космическому аппарату – ракете, спутнику или космической станции. Длина космических тросов варьируется от нескольких метров до десятков километров (мировой рекорд – чуть более 32 километров). Тросы изготавливаются из особо прочных материалов, выдерживающих гигантские нагрузки.

Космические тросовые системы делятся на две категории – механические и электродинамические. Тросы первой категории используются, в частности, для обмена скоростями и соединения различных космических аппаратов между собой для движения как одно целое.

Для электродинамических тросовых систем используются специальные материалы, не только прочные, но и проводящие электрический ток (обычно алюминий или медь). При движении таких тросов в магнитном поле Земли, на свободные заряды в металлах действует электродвижущая сила, создающая электрический ток. Также вклад в данные процесс дают области ионизованного газа с различными плотностями и свойствами, присутствующие в космосе и наличие ионосферы у самой Земли.

Численные симуляции, подтвержденные экспериментально, показали, что для большого спутника электродинамический трос длиной десять километров может вырабатывать среднюю мощность в 1 киловатт с эффективностью превращения энергии 70-80%. Трос такой длины из алюминия будет весить всего 8 килограмм, что ничтожно по сравнению с весом среднего орбитального аппарата.

Нанокорабль

Космические генераторы разрабатываются и изучаются уже многие десятилетия. Они хорошо описаны с теоретический точки зрения, и подвергаются самым экстремальным земным условиям – но при этом развитие «внеземных» источников энергии идет гораздо медленнее, чем их земных собратьев. Удивительным образом, покорение космоса, идущее в авангарде технологий, оказывается весьма и весьма консервативной областью, в которой внедрение новых разработок происходит редко из-за множества рисков и экономических причин.

Однако мы находимся на заре развития совершенно новой области – наноспутников, и даже спутников гораздо меньшего размера. Они могут служить базой для космических тросовых систем и, запуская в космос сразу множество таких устройств, у нас получится вырабатывать гораздо больше электроэнергии. Возможно, именно им предстоит произвести революцию в области генерации энергии в космосе, расширить технологические возможности космических аппаратов и увеличить время их работы.

Понравилась статья?

Поделись с друзьями!

  Поделиться 0   Поделиться 0   Твитнуть 0

Подпишись на еженедельную рассылку

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]


Территория разработок » Термоэлектрогенераторы

Варианты собственного изготовления.

1. На металлических термопарах

В моем случае стояла не просто экспериментальная задача по изготовлению термоэлектрогенератора (ТЭГа), а практическая задача, которая заключалась в следующем. Нужно было изготовить дополнение к системе стартового подогрева двигателя, которое бы эффективно генерировало ЭДС для подзарядки аккумулятора, что актуально в случаях долгого простоя автомобиля в зимних условиях.

Для изготовления термоэлектрогенератора (ТЭГа) возьмем наиболее практичную пару материалов — сплав хромель и сплав копель. Исходный материал у меня был в виде проволоки диаметром 3.2 мм. В основе проекта был такой расчет: напряжение аккумулятора составляет 12 В, а ЭДС одной термопары составляет 50 мВ при разности температур 600 °С. Исходя из оптимального согласования ТЭГа с аккумулятором необходимо получить ЭДС равное удвоенному напряжению аккумулятора — 24 В. Это означает, что нам нужно создать 24 В / 0.05 В = 480 термопар.

На рисунке выше изображена схема сборки термоэлементов на изолирующей пластине. Окисленная сталь служит кондуктором при сварке отдельного модуля. Серебро увеличивает проводимость спая, а алюминий улучшает коррозионную стойкость.

Технологически, производство модуля ТЭГа производилось так: в изолирующий перфорированный материал (толщина 15 мм), вставляются чередуя стержни хромель и копель (около 25 мм) (на рисунке чередуются парами — два хромель, два копель и т.д.). Надевается перфорированная пластина окисленной нержавеющей стали (1 мм). Далее идет медная перфорированная пластина (2 мм). Стержни должны после этого чуть чуть выступать над верней пластиной (около 1-2 мм). Для более качественной сварки также можно уложить тонкую медную проволоку между выступающими стержнями. Две пары стержней разной проводимости (два стержня хромель и два стрежня копель накрываются пластинкой из алюминия — толщиной около 1 мм). Сверху укладывается 1 — 2 дробины серебра (можно и даже лучше больше).
По периметру алюминиевой пластины устанавливается форма прямоугольного сечения из графита, которая будет служить сварочной ванной, чтобы расплав не вытек из рабочей зоны. Получившаяся ванночка засыпается флюсом («БУРА»).

Дополнительным условием улучшающим качество сварки является переменное магнитное поле с напряженностью направленной вдоль стержней. Я использовал для этой цели размагничивающую обмотку от кинескопа. Магнитное поле способствует лучшему «перемешиванию» компонентов расплава в ванночке.

Теперь остается только произвести сварку. Для сварки я использовал сварочный аппарат постоянного тока заменив обычный электрод на графитовый стержень, чтобы материал электрода не внес примесей в наш слоеный пирог.

После сварки производим механическую обработку термоспая в размер. На этом сборка «горячей» стороны модуля завершена.

«Холодную» сторону мы собираем так — кладутся в аналогичном порядке — окисленная сталь, медь и производится пайка оловом. Олово удобно для возможного демонтажа при ремонте.

Замечания

Для увеличения добротности каждого модуля стержни подвергаются механической обработке. Каждый стержень по середине протачивается до диаметра 1 мм (либо обжимается прессом).

На практике был собран двухрядный термоэлемент (отличается от рисунка удвоенным рядом стержней). Конструкция одного такого термоэлемента испытывалась на ток короткого замыкания, Iкз = 180 А.

Автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии в процессе транспортирования в трубах различных теплоносителей (газов, жидкостей) путем непосредственной трансформации части их тепловой энергии в электрическую.

Известен источник ЭДС в устройстве для термоэлектрической защиты трубопровода от коррозии, представляющий собой два полукольца (полукожуха), оребренных продольными ребрами и снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, выполненными из гидростойкого диэлектрического с высокой теплопроводностью материала, покрывающих часть защищаемого трубопровода, причем внутри продольных ребер по всей их длине помещены зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, состоящие, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки продольных ребер и поверхности участка трубопровода параллельно их поверхности, при этом свободные концы теплоэлектрических секций каждого ребра с одной стороны соединены через токовыводы с одноименными зарядами с регулирующим блоком, с противоположной – через коллекторы, токовыводы с одноименными противоположными зарядами и кабель с анодным заземлителем [Патент №2550073, МПК С23 F13/00, 2015].

Недостатками известного устройства являются невозможность замены вышедших из строя термоэмиссионных преобразователей или термоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения покрытия из диэлектрического материала, значительные потери вырабатываемого электричества из–за большого электрического сопротивления, соединенных последовательно термоэлектрических секций, что снижает его надежность и эффективность.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является термоэлектрический кожух для трубопровода, содержащий два полуцилиндрических кожуха с продольными щелями, снабженных торцевыми кольцами, продольными фланцами с крепежными отверстиями, выполненными из гидростойкого материала, закрывающих участок трубопровода, с созданием между внутренней поверхностью полуцилиндров и наружной поверхностью трубопровода зазора шириной ∆, причем в продольные щели полуцилиндрических кожухов вставлены продольные ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды, состоящие, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромки ребер, прижатых в зоне нагрева к поверхности трубопровода и в зоне охлаждения в окружающей среде (воде, грунте и т. д.), соответственно, свободные концы зигзагообразных рядов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, а с противоположного торца свободные концы зигзагообразных рядов этих же пар в ребрах соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, образуя теплоэлектрические секции, причем конденсаторы каждого полуцилиндрического кожуха через перемычки последовательно соединены между собой, образуя теплоэлектрические блоки, а крайние конденсаторы каждого теплоэлектрического блока снабжены токовыводами с одноименными зарядами.

Основными недостатками известного устройства являются громоздкая конструкция полуцилиндрических кожухов, усложняющая его монтаж на действующем трубопроводе, расположение термоэмиссионных преобразователей в последовательно соединенных рядах, снижающее возможность получения существенной силы тока непосредственно при его генерации из– за высоких потерь в каждом ряду, помещение рядов термоэмиссионных преобразователей в ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, непосредственно соприкасающиеся с окружающей средой (грунтом, водой, что увеличивает вероятность их механического или коррозионного повреждения, воздухом), что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности автономного термоэлектрогенератора на трубопроводе.

Технический результат достигается автономным термоэлектрогенератором на трубопроводе, содержащим участок трубопровода, на котором расположены по всей его длине окружные теплоэлектрические секции, снабженные электрическими конденсаторами и соединенные между собой перемычками, образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, каждая окружная теплоэлектрическая секция состоит из нескольких окружных параллельных рядов, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи, которые в каждом окружном параллельном ряду продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами, покрытыми совместно со спаями с наружных продольных торцов слоем диэлектрического материала, причем участок трубопровода, на котором расположены окружные теплоэлектрические секции закрыт цилиндрическим кожухом, выполненным из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов, снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, которые обеспечивают плотное прижатие торцов спаев термоэмиссионных преобразователей совместно с наружными продольными торцами верхних и нижних крепежных полос к наружной поверхности участка трубопровода и внутренней поверхности цилиндрического кожуха.

На фиг. 1–6 представлен автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе (АТЭГТ) (фиг. 1–4 – общий вид и разрезы АТЭГТ, фиг. 5–6 – узел теплоэлектрической секции (АТЭС) и термоэмиссионных преобразователей (ТЭП).

Предлагаемый автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе (АТЭГТ) включает участок трубопровода 1, на котором расположены по всей его длине окружные теплоэлектрические секции (ОТЭС) 2, снабженные электрическими конденсаторами 3 и соединенные между собой перемычками 4, образуя термоэлектрический блок (ТЭБ) 5, снабженный токовыводами с одноименными зарядами 6, каждая ОТЭС 2 состоит из нескольких окружных параллельных рядов 7, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 8, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи 9 и 10, которые в каждом окружном параллельном ряду 7 продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами 11 и 12, покрытыми совместно с со спаями 9 и 10 с наружных продольных торцов слоем диэлектрического материала 13 (например, выполненными из слюды или термостойкого герметика), причем участок трубопровода 1, на котором расположены ОТЭС 2 закрыт цилиндрическим кожухом 14, выполненным из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью и состоящим из двух полуцилиндрических кожухов 15 и 16, снабженных продольными фланцами 17 с крепежными отверстиями (на фиг. 1–6 не показаны), которые обеспечивают плотное прижатие торцов спаев 9 и 10 совместно с наружными продольными торцами крепежных полос 11 и 12 к наружной поверхности участка трубопровода 1 и внутренней поверхности цилиндрического кожуха 14 (узлы фиксации крайних верхних и нижних параллельных продольных крепежных полос 11 и 12 ОТЭС 2 ТЭБ 5 к наружной и внутренней поверхности участка трубопровода 1 и кожуха 14, соответственно, на фиг. 1–6 не показаны).

Предлагаемый АТЭГТ, представленный на фиг. 1–6, работает следующим образом.

АТЭГТ устанавливается в процессе монтажа или реконструкции трубопровода, для чего, предварительно собранные ОТЭС 2, устанавливают в продольные пазы (на фиг. 1–6 не показаны) на наружной поверхности участка трубопровода 1, соединяют их электрическими конденсаторами 3 и перемычками 4, далее торцы ТЭП 8 ОТЭС 2 прижимают посредством стяжки фланцев 17 к внутренней поверхности пазов на внутренней поверхности кожуха 14 (на фиг. 1–6 не показаны), после чего токовыводы 6 соединяют с регулирующим блоком и потребителем (на фиг.1–6 не показаны).

После заполнения трубопровода и начала движения в нем потока газа (жидкости) с температурой tП выше, чем температура грунта (воздуха, воды) tС, который соприкасается с наружной поверхностью кожуха 14, выполненного из гидростойкого с высокой теплопроводностью материала, в результате разности температур (tП – tС) происходит теплообмен между горячим газом (жидкостью), движущимся по участку трубы 1 и холодной окружающей средой (грунтом, водой, воздухом), спаи 9 и 10, выполненные из металлов М1 и М2, совместно с продольными крепежными полосами 11 и 12, нагреваются и охлаждаются спаи. При этом, конструкция верхних и нижних кромок ОТЭС 2, выполненная из нескольких окружных параллельных рядов 7. соединенных параллельно через свои спаи 9 и 10 сплошными крепежными полосами 11 и 12, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, позволяет увеличить количество переходящего тепла за счет повышенной площади их контакта с зонами нагрева и охлаждения и высокой площади контакта слоев самих металлов М1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой или сваркой) и, в тоже время, в результате их параллельного соединения увеличить силу тока. Создаваемая разность температур (tП – tС) между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 8 и, соответственно, возникновение в зигзагообразных рядах АТЭС 2 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. При этом параллельное соединение окружных рядов 7 верхними и нижними крепежными полосами 11 и 12 в каждой АТЭС 2 позволяет увеличить силу тока без использования преобразователя, что увеличивает КПД АТЭГТ.

В ТЭБ 4 каждый конденсатор 3 обслуживает свою АТЭС 2, а так как конденсаторы каждой АТЭС 2 соединены между собой последовательно, то термоэлектричество предыдущих АТЭС 2 не проходит через последующие АТЭС 2, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 3, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 8. Эффективная работа конденсаторов 3 обеспечивается также тем, что они находятся вблизи зоны охлаждения наружной средой. Полученное термоэлектричество через токовыводы 6 поступает в блок регулирования, где создается требуемое напряжение и сила тока и подается потребителю (на фиг. 1–6 не показаны).

Наличие кожуха 14 АТЭГТ предохраняет ТЭП 8 от механических повреждений окружающей средой, от ее коррозионного воздействия и утечки полученного электричества.

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 6 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 8 в АТЭС 2 и их числа. При необходимости устанавливают несколько ТЭБ 4. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода газа (жидкости) и величины разности температур (tП– tС) регулируют в блоке регулирования. Полученное электричество можно использовать, например, для защиты трубопровода от электрохимической коррозии или электропривода задвижек.

Таким образом, конструкция предлагаемого АТЭГТ предохраняет термоэлектрические преобразователи от механических повреждений и коррозии, снижает электрическое сопротивление установки, повышая коэффициент полезного действия, а также обеспечивает возможность замены вышедших из строя термоэмиссионных преобразователей или теплоэлектрических секций на действующем трубопроводе, без разрушения смежных термоэлектрических секций, что повышает его надежность и эффективность.

Автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе, содержащий цилиндрический кожух, состоящий из двух полуцилиндрических кожухов, снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, выполненными из гидростойкого материала, и закрывающих участок трубопровода, с созданием между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью трубопровода зазора, по всей длине участка трубопровода помещены зигзагообразные ряды, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, соединены между собой с образованием спаев и расположены вблизи зоны нагрева у поверхности трубопровода и в зоне охлаждения у окружающей среды, соответственно, свободные концы зигзагообразных рядов в холодной зоне соединены между собой перемычками и конденсаторами, образуя теплоэлектрические секции, также соединенные между собой, образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, отличающийся тем, что теплоэлектрические секции выполнены окружными, термоэлектрический блок расположен в зазоре между внутренней поверхностью цилиндрического кожуха, выполненного из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью, и наружной поверхностью вышеупомянутого участка трубопровода, каждая окружная теплоэлектрическая секция состоит из нескольких окружных параллельных рядов, составленных из термоэмиссионных преобразователей, верхние и нижние спаи которых в каждом окружном параллельном ряду продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами, покрытыми совместно со спаями с наружных продольных торцов слоем диэлектрического материала, причем плотный контакт торцов спаев термоэмиссионных преобразователей совместно с наружными продольными торцами верхних и нижних крепежных полос с наружной поверхностью участка трубопровода и внутренней поверхностью цилиндрического кожуха обеспечивается сжатием двух полуцилиндрических кожухов.

РЕАКТОРНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Атомная энергетика в настоящее время вступила в такую фазу своего развития, когда большое значение приобретают пути повышения эффективности и экономичности энергетических установок. До настоящего времени в атомных установках использовалась в основном многоступенчатая схема преобразования тепловой энергии деления атома в электрическую с помощью турбин и машинных генераторов тока. Однако эта схема не обеспечивает высокого к. п. д. агрегата из-за ограничения максимальной рабочей температуры цикла и наличия тепловых потерь. Надежная длительная работа таких агрегатов снижается вследствие низких прочности и термостойкости конструкционных материалов турбин. Установки, непосредственно преобразующие тепловую энергию деления в электрическую, лишены большинства из этих недостатков и в перспективе позволяют получить более высокие к. п. д. и удельную мощность при больших эффективности, надежности и компактности.

Одна из особенностей этой системы — радиоактивность топлива, представляющая потенциальную опасность для человека. И если для стационарных АЭС большой мощности эта проблема относительно успешно решена, то для передвижных (транспортных) АЭС, включая и космические, она достаточно сложна и требует решений.

Понятно, что только некоторые ТЭГ экономичны при большой мощности, поэтому создано очень мало действующих аппаратов этого типа, а большинство работ находится в проектной стадии. ТЭГ, использующие тепло ядерного реактора, можно условно разделить на два принципиальных вида: встроенный и выносной.

Встроенные ТЭГ представляют собой конструкцию, в которой термобатарея расположена непосредственно в активной зоне реактора. Они имеют ряд существенных преимуществ: высокую удельную мощность, высокий к. п. д. как результат малых тепловых потерь в термобатарее, компактность установки. К основным недостаткам схемы следует отнести слож­ность отвода тепла от термобатареи и возможную нестабильность свойств полупроводников под воздействием радиоактивных излучений — вопрос, пока мало изученный.

Реакторный ТЭГ выносного типа представляет собой конструкцию, в которой термобатарея расположена вне активной зоны и преобразует тепло выходящего из реактора теплоносителя. Основными преимуществами этой схемы являются практическое отсутствие влияния радиоактивного излучения на полупроводники, лучшая организация отвода тепла от термобатареи и большая свобода при конструировании термобатареи. Недостатки низкие значения удельных мощностей, большие габариты установки и необходимость затрат энергии на циркуляцию теплоносителя.

К реакторным ТЭГ встроенного типа относится разработанная впервые в мире в СССР реакторная установка «Ромашка» с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую. Источник тепловой энергии — реактор на быстрых нейтронах. Тепло, выделяемое в активной зоне реактора в результате деления, передавалось в радиальном направлении на отражатель, а с его боковой поверхности — на примыкающий к нему полупроводниковый преобразователь. Расположение реактора — вертикальное. Активная зона по высоте набиралась из твэлов, каждый из которых был изготовлен из графитового корпуса и пластин из дикарбида урана с обогащением 90%, загрузка — 49 кг. Радиальный отражатель собран из коаксиально расположенных элементов из бериллия и графита, а торцевые отражатели из металлического бериллия. Для уменьшения утечек тепла через торцы реактора была использована теплоизоляция.

Система регулирования реактора состояла из четырех стержней автоматического регулирования, расположенных в радиальном отражателе, и нижнего торцевого отражателя. Эти стержни были изготовлены из бериллия и окиси бериллия в оболочке из жаропрочной стали. Нужно сразу же отметить, что во время эксплуатации установки автоматическое регулирование не использовалось, так как «Ромашка» практически не нуждалась в регулировании. После вывода на номинальный режим основные параметры установки с достаточной точностью поддерживались на требуемом уровне за счет отрицательного температурного коэффициента реактивности.

Дата публикации: 14.04.2012

Похожие записи:

Высокопроизводительные совместимые термоэлектрические генераторы с магнитными самосборными мягкими проводниками тепла для носимой электроники с автономным питанием

Конструкция и высокоавтоматизированный процесс для совместимых ТЭГ

На рисунке 1а показаны концепция и конструкция наших совместимых ТЭГ. Ранее сообщалось, что в ТЭГ, соответствующих требованиям к высоким характеристикам, обычно использовались толстые и жесткие электроды для соединения ветвей TE 35,36,39 , и они страдали ограниченной механической гибкостью и сложными процессами изготовления.Жидкие металлы, такие как эвтектический галлий-индий (EGaIn), использовались для мягких межсоединений 37,38,42 , но их вредная и нестабильная природа требует капсулирования полимера с высоким термоимпедансом, что значительно затрудняет передачу тепла материалам TE. Для решения этих проблем мы разрабатываем платформу мягкого теплопередачи и электрического соединения (SHEP), в которую встроены внутренне растягиваемые электроды и s-HC, которые соединяют между собой опоры high- zT TE и соединяют их с источниками тепла произвольной формы, соответственно. , сохраняя при этом как механическую мягкость, так и низкое термическое сопротивление (рис.1б, в). Мягкие электроды и s-HC были легко сформированы в эластомерной матрице путем одновременного процесса заливки / формирования рисунка / отверждения, как показано ниже (рис. 1d и подробности в «Методах», дополнительном рисунке 1, дополнительной таблице 1 и дополнительном видео 1 ). Сначала мы покрыли смесь частиц Ag – Ni / прекурсора PDMS на поддерживающем стекле подложкой из полиэтиленнафталата (PEN), осажденного AgNW. Затем мы зажали их двумя железными массивами столбов и прикрепили два магнита вверху и внизу массивов столбов.Поскольку магнитное поле сконцентрировано на вертикально выровненных парах железных столбов, как показано в результате анализа методом конечных элементов (МКЭ) на дополнительном рис. 2, частицы Ag-Ni быстро сходятся к месту расположения железных столбов. В то же время частицы между верхней и нижней стойками самоорганизуются, образуя четко определенные вертикальные цепочки, то есть пути перколяции в смеси PDMS. После отверждения смеси и отсоединения PEN-подложки на поддерживающем стекле была образована SHEP.Процесс формирования SHEP довольно прост, легко настраивается и воспроизводится. Конструкцию шаблонов s-HC можно легко модулировать, используя различные массивы железных столбов. Концентрация частиц Ag – Ni в образцах s-HC, определяющая способность к теплопередаче, может быть легко отрегулирована путем изменения объемной доли смеси частиц Ag – Ni / PDMS (дополнительный рис. 3). Кроме того, потенциальные параметры, которые влияют на характеристики TE, такие как интенсивность магнитного потока и вязкость PDMS, были тщательно оптимизированы, чтобы находиться в середине технологического окна, что сделало наш процесс более стабильным и надежным в условиях окружающей среды (дополнительные рис.4 и 5). TE-ноги на основе Bi 2 Te 3 были затем интегрированы в подготовленные SHEP с помощью полностью автоматизированной эпоксидной печати и процессов подбора и установки (рис. 1e). После присоединения верхнего SHEP к решетке TE и проникновения PDMS между верхним и нижним SHEP для дальнейшего повышения механической прочности, наконец был изготовлен совместимый TEG с внутренне растягиваемыми электродами и s-HC. Общее время процесса составляет ~ 4,5 ч, включая 2 ч для формирования SHEP и 2,5 ч для интегрирования.

Рис. 1: Процесс проектирования и изготовления совместимого термоэлектрического генератора (ТЭГ).

a Концептуальная иллюстрация совместимого ТЭГ с мягкими электродами и мягкими проводниками тепла (s-HC) для схем с автономным питанием. На левой вставке представлена ​​фотография термоэлектрических (ТЕ) ветвей на основе теллурида висмута (Bi 2 Te 3 ), а на правой вставке – оптическое изображение поперечного сечения совместимого ТЭГ. Масштабные линейки 5 и 1 мм. b Схематическое изображение, показывающее структуру совместимого ТЭГ, устанавливающего конформный контакт с источником тепла произвольной формы.S-HC эффективно передают тепловую энергию от источника тепла к ножкам TE, а мягкие электроды обеспечивают высокую степень механической свободы. c Микроскопическое изображение платформы мягкого теплопереноса и электрических соединений (SHEP) со встроенными электродами из мягкой серебряной нанопроволоки (AgNW) и узорчатыми покрытыми серебром никелевыми (Ag – Ni) s-HC. Масштабная линейка 50 мкм. d Схематическое изображение и фотографии одновременного процесса заливки / формирования рисунка / отверждения для SHEP. Масштабные линейки 5 мм, 2 см и 5 мм. e Схематическое изображение и фотографии полностью автоматизированного процесса интеграции, совместимого с большой площадью, с использованием программируемого дозатора и устройства для сбора и размещения. На самой правой фотографии показан совместимый ТЭГ, содержащий 440 TE ног, соответственно прикрепленных к коже человека. Масштабные линейки 1 см.

Наша производственная стратегия соответствует ускоряющимся тенденциям миниатюризации носимых устройств. В последние годы объемные ножки вручную помещались на подложки на полимерной основе, что ограничивало степень интеграции или коэффициент заполнения (FF), тесно связанный с плотностью мощности в носимых устройствах 4,18,25 .Напротив, наша высокоавтоматизированная интеграция предлагает высокую степень масштабируемости и настраиваемости наряду с высокой производительностью устройств, что позволяет надежно реализовать совместимые с большой площадью TEG даже с 440 ветвями TE на площади 3,9 × 4,3 см 2 .

Термические и механические характеристики s-HC

Чтобы исследовать влияние наших s-HC на теплопередающую способность эластомерных подложек, мы систематически проанализировали теплопроводность композитов с объемными частицами Ag – Ni / PDMS, т.е.например, композиты, не имеющие пространственной структуры с помощью массивов железных столбов, в зависимости от концентрации частиц Ag – Ni с магнитной самосборкой и без нее (рис. 2а). Сквозная теплопроводность ( K Сквозная плоскость ) композитов увеличилась с 0,15 до 0,53 Вт · м −1 K −1 , когда концентрация частиц Ag – Ni увеличилась до 70 мас.% И резко увеличилась. до 1,1 Вт · м −1 K −1 при магнитной самосборке (рис. 2б). Этот результат в первую очередь обусловлен значительным увеличением количества вертикальных перколяционных путей, возникающих из-за приложенного магнитного поля, как показано на изображениях, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на рис.2c и дополнительный рис. 6. На рис. 2d показана теплопроводность в плоскости ( K в плоскости ) объемных композитов. Композиты без магнитной самосборки показали K в плоскости > 1 Вт · м -1 K -1 , что намного выше, чем K в плоскости ; этот результат можно объяснить неоднородным распределением частиц Ag – Ni в вертикальном направлении из-за действия силы тяжести во время процесса отверждения.После магнитной самосборки, поскольку частицы Ag – Ni высокой плотности на дне композита участвовали в вертикальных цепочках вдоль направления магнитного поля, K In-plane немного уменьшилось. Примечательно, что наша стратегия, использующая магнитную самосборку частиц Ag – Ni, эффективно улучшила K Thru-plane , что тесно связано со способностью передавать тепло к ножкам TE без значительных потерь в K In -самолет .

Рис. 2: Термические и механические свойства s-HC.

a Схематическое изображение объемных композитов частицы Ag – Ni / полидиметилсилоксан (PDMS) без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой для измерения теплопроводности в проходной и плоской плоскости. b Зависимость теплопроводности через плоскость от концентрации частиц Ag – Ni без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. c Изображения объемных композитов с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой.Также включены увеличенное изображение SEM и изображение энергодисперсионной спектрометрии (EDS), показывающее вертикально ориентированные частицы Ag – Ni. Масштабные линейки 40 мкм. d Зависимость теплопроводности в плоскости от концентрации частиц Ag – Ni без магнитной самосборки и с магнитной самосборкой. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. e Кривые деформация-напряжение для чистого ПДМС и магнитно-самоорганизующихся композитов Ag – Ni частица / PDMS с различными концентрациями частиц Ag – Ni.

Кроме того, поскольку s-HC были пространственно структурированы в 1.2 × 1,2 мм 2 квадратных с использованием массива железных столбов, расчетная концентрация частиц Ag – Ni в структурированных s-HC составляла ~ 85 мас.% (Подробности на дополнительном рис. 3 и в дополнительном примечании 1). Точная теплопроводность наших структурированных s-HC не может быть получена экспериментально из-за ограничений нашей измерительной системы с точки зрения минимальных размеров и сложности изготовления объемного композита, содержащего> 75 мас.% Частиц Ag – Ni. Следовательно, K Сквозная плоскость ~ 1.4 Вт · м −1 K −1 для концентрации частиц Ag – Ni 85 мас.% Было извлечено из экстраполяции данных измерений на рис. 2б. Эта теплопроводность сопоставима с теплопроводностью ветви Bi 2 Te 3 (~ 1,9 Вт · м −1 K −1 , см. Дополнительную таблицу 2) и приводит к хорошо подобранному тепловому сопротивлению, что значительно снижает паразитные потери тепла через эластомерный слой в линейном масштабе. Кроме того, наши s-HC хорошо сохранили свою мягкость с модулем Юнга <10 МПа и деформацией разрушения> 90% (рис.2e), демонстрируя лучшую растяжимость, чем большинство стандартных коммерческих термопрокладок (дополнительный рис. 7). Эти результаты показывают, что способность теплопередачи нашего s-HC превосходит таковые у ранее заявленных совместимых субстратов (дополнительная таблица 3), таких как PDMS и инженерный Ecoflex, и даже сравнима с таковыми у коммерческих термопрокладок.

Повышение производительности TE с помощью s-HC

Чтобы исследовать влияние нашего s-HC на выработку электроэнергии, мы охарактеризовали характеристики TEG с 36 np-парами с s-HC и без них с помощью как 3D FEA, так и экспериментальных измерений.На рис. 3a, b представлены результаты FEA, показывающие распределение температуры в поперечном сечении двух ТЭГ, когда Δ T Applied между верхней и нижней границами составляло 10 K (детали моделирования см. На дополнительном рисунке 8 и в дополнительной таблице. 4). В случае ТЭГ без s-HC, хотя поддерживающие слои PDMS были достаточно тонкими (120 мкм) по сравнению с высотой ветви TE, Δ T TE составлял всего 5,1 K (рис. 3a). Основная причина такой небольшой разницы в том, что теплопроводность ПДМС (~ 0.16 Вт · м −1 K −1 ) чрезвычайно мало по сравнению с ветвью TE; следовательно, большая часть Δ T Applied была потеряна на уровнях PDMS. Напротив, температура была линейно распределена по ТЭГ с s-HC, показывая Δ T TE 8,6 K, в результате согласования теплового импеданса между s-HC и ветвью TE из-за значительно улучшенного K Сквозная плоскость с s-HC (рис. 3b). Итоговые значения V OC , рассчитанные на основе FEA, составили 61.7 и 96,5 мВ для ТЭГ без и с s-HC соответственно (рис. 3в, г). Мы также рассчитали В OC как функцию теплопроводности s-HC, показав, что наш s-HC обеспечивает ~ 86% максимального теоретического V OC для пары TE с 36 np. ноги должны быть достигнуты (дополнительный рис. 9). Этот эффект s-HC был также подтвержден экспериментальным измерением характеристик TE изготовленных 36-np-совместимых ТЭГ без и с s-HC с использованием самодельного измерительного оборудования (рис.3e, f и дополнительный рис. 10). Оба ТЭГ показали линейное и квадратичное увеличение В OC и выходной мощности, соответственно, при увеличении Δ T Applied . ТЭГ с s-HCs показал на 45% больше V OC по сравнению с таковым без s-HC, 61,4 против 89,5 мВ при Δ T Applied 10 K, что согласуется с результатами FEA. Максимальные мощности ТЭГ без и с s-HC при Δ T Applied при 40 K составляли 232 и 828 мкВт соответственно.Хотя V OC можно дополнительно улучшить за счет увеличения теплопроводности s-HC или уменьшения толщины s-HC, параметры были оптимизированы в отношении мягкости, механической надежности и стабильности процесса. Кроме того, улучшенная способность теплопередачи нашего совместимого ТЭГ позволяет быстро реагировать на динамическое изменение температуры. Мы измерили временное разрешение V OC двух ТЭГ на алюминиевой пластине, когда алюминиевая чашка с горячей водой (~ 70 ° C) была резко помещена в контакт с их верхними поверхностями (рис.3g и дополнительный рис. 11). ТЭГ с s-HC реагировал на изменение температуры быстрее, чем без s-HC, с более высоким максимумом V OC , показав хорошее согласие с результатами FEA (рис. 3h).

Рис. 3: Влияние s-HC на характеристики TE совместимого TEG.

a , b Результаты анализа методом конечных элементов (МКЭ), показывающие распределение температуры в поперечном сечении ТЭГ без ( a ) и с s-HC ( b ) для заданной разницы температур 10 К. c , d Результаты FEA, показывающие напряжение холостого хода ( В OC ) ТЭГ с 36 np-парой без ( c ) и с s-HC ( d ) для данного разница температур 10 К. e , f Экспериментально измеренные характеристики ТЭ ТЭГ с 36 np-парами без ( e ) и с s-HC ( f ), показывающих зависимость тока и мощности от напряжения. г Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения отклика ТЭГ без и с s-HC. ч с временным разрешением В OC двух ТЭГ, когда алюминиевый стакан с горячей водой резко входит в контакт с двумя ТЭГ. Пунктирные линии представляют соответствующие результаты FEA. i Фотография ТЭГ, совместимого с 220-np-парами. j Экспериментально измеренные рабочие характеристики ТЭГ, совместимого с парами 220 np, включая ток и мощность в зависимости от напряжения. k Сравнение производительности носимых ТЭГ.

Долгосрочным требованием носимых приложений ТЭГ является надежная работа ТЭГ, совместимых с высокой FF.Используя наш масштабируемый и автоматизированный процесс изготовления, мы изготовили совместимый ТЭГ с 440 ветвями TE на площади 3,9 × 4,3 см 2 (рис. 3i). ТЭГ генерировал максимальную мощность 7,02 мВт и В OC 2,12 В при Δ T Applied 40 K (рис. 3j). На рисунке 3k и в дополнительной таблице 3 показано сравнение производительности современных гибких / носимых TEG 10,20,27,35,36,37,43,44,45,46,47 . Наш совместимый ТЭГ с s-HC показывает наивысшее нормализованное напряжение Зеебека на единицу площади, В OC , нормализованное на Δ T , и размеры ТЭГ, благодаря выдающейся способности теплопередачи s- HC и высокий FF, достигнутый за счет автоматизированного процесса интеграции.Кроме того, он показывает наивысшую нормированную плотность мощности, плотность мощности, деленную на Δ T 2 , чтобы исключить зависимость Δ T , в группе растягиваемых TEG. Значение 0,26 мкВт см −2 K −2 даже сопоставимо с лучшими показателями предыдущих гибких ТЭГ с жесткими медными электродами, хотя некоторые из них показывают более высокое значение> 1 мкВт см −2 K – 2 из-за высокой проводимости жестких медных электродов, что серьезно ухудшает совместимость ТЭГ.В частности, вместе с превосходной совместимостью, наш ТЭГ, прикрепленный к коже человека, генерировал самую высокую максимальную плотность мощности (6,96 мкВт / см -2 ) и В OC (266 мВ) в ранее описанных носимых ТЭГ на коже человека (дополнительная информация Рис.12).

Выходная мощность нашего совместимого ТЭГ может быть дополнительно улучшена за счет уменьшения сопротивления модуля, которое складывается из сопротивлений ветвей TE, растягиваемых электродов на основе AgNW и проводящих эпоксидных переходов между ними (дополнительный рис.13). «Сопротивление перехода» и «сопротивление электрода» составляют 77% и 19% от общего сопротивления модуля соответственно (дополнительная таблица 5). Следовательно, минимизация сопротивления обоих компонентов является ключом к повышению выходной мощности нашего совместимого ТЭГ. Более конкретно, сопротивление перехода можно снова разделить на три части: контактное сопротивление между Ag-эпоксидной смолой и TE ветвями, объемное сопротивление проводящей эпоксидной смолы и контактное сопротивление между проводящей эпоксидной смолой и электродом из AgNW (дополнительный рис.14). Поскольку растягиваемые электроды основаны на композитном материале, в котором случайная сеть AgNW встроена в матрицу PDMS, большая часть поверхности состоит из матрицы PDMS, где AgNW частично обнажены. Эта низкая плотность открытых проводящих материалов увеличивает контактное сопротивление между электродами и проводящей эпоксидной смолой (дополнительный рис. 15). Возможные решения могут заключаться в частичном травлении PDMS для обнажения AgNW или использовании межфазного слоя, такого как тонкая металлическая пленка с печатью, между проводящей эпоксидной смолой и растяжимыми электродами.Длина, диаметр и количество осажденных AgNW также являются решающими параметрами для проводимости растягиваемых электродов и контактного сопротивления между проводящей эпоксидной смолой и электродами.

Механическая надежность соответствующего ТЭГ

Наши ТЭГ показали высокую деформируемость и механическую надежность при деформации растяжения по сравнению с теми, о которых сообщалось в предыдущей литературе, потому что внутренне растягиваемые электроды из AgNW с низким модулем Юнга эффективно поглощают приложенное напряжение, а пропитанный PDMS действует как буфер, предотвращающий разрыв каждой ноги из-за сильной деформации.Для систематического анализа мы провели FEA распределения напряжений и деформаций на поверхности, содержащей межсоединения, когда наш ТЭГ с мягкими электродами из AgNW и аналогичный ТЭГ с пластинчатыми электродами из Cu механически изгибались и растягивались. Когда они были изогнуты, на медных электродах возникло чрезвычайно высокое напряжение по сравнению с электродами из AgNW из-за высокого модуля Юнга медных пластин (~ 120 ГПа), что привело к высокой жесткости на изгиб и ограниченной деформируемости (рис. 4a, б).Когда была приложена деформация растяжения 20%, результаты FEA показали концентрированную деформацию> 250% на границах раздела между PDMS и пластинами Cu, что намного превышает деформацию разрушения PDMS, в то время как электроды из AgNW поглощали внешнюю деформацию и сохраняли максимальная деформация <150% (рис. 4в, г). Мы также экспериментально продемонстрировали механическую надежность нашего ТЭГ, измерив изменение сопротивления (Δ R ) до начального сопротивления ( R 0 ) и характеристики TE при различных условиях изгиба и растяжения.\ (\ Frac {{{\ Delta} R}} {{R_0}} \) ТЭГ оставался на уровне <50%, когда радиус изгиба ( r ) достигал ~ 11 мм (рис. 4e и дополнительный рис. 16). Сопротивление ТЭГ также было стабильным в течение 1000 циклов изгиба с × 15 мм (рис. 4f). V OC и мощность при Δ T Applied 10 K стабильно сохранялись даже после 10000 циклов изгиба как по оси x (рис. 4g), так и по оси y (рис. 4h и дополнительный рис.17). Кроме того, наш ТЭГ, соответствующий требованиям, показал растяжимость до 20% с \ (\ frac {{\ Delta} R}} {{R_0}} \) 160% (рис. 4i) и отличную циклическую надежность при нагрузке 10 % (Рис. 4j). Особенно, когда гибкие ТЭГ используют наноструктурированные или тонкопленочные ТЭ материалы, например поли (3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT: PSS) и углеродные нанотрубки (УНТ), непосредственно подвергаются механической деформации и, следовательно, страдают от деформационного воздействия на коэффициент Зеебека 48,49 , объемный Bi 2 Ветви Te 3 , используемые в нашем совместимом ТЭГ, полностью не деформируются при механической деформации (рис.4в, г). Это связано с тем, что электроды с внутренним растягиванием эффективно поглощают механическую деформацию в результате большой разницы модулей Юнга между растягиваемыми межсоединениями и ветвями TE. Следовательно, V OC нашего ТЭГ не изменился при приложении растягивающей деформации (дополнительный рис. 18). Этот эффект отсутствия деформаций все еще сохраняется, когда к ТЭГ прилагается деформация изгиба (дополнительный рисунок 19). Заметных изменений В OC нашего ТЭГ при одноосном (дополнительный рис.20) и условия двухосного изгиба (дополнительный рисунок 21). Наш ТЭГ также продемонстрировал выдающуюся долговременную устойчивость к влажности от 1 до 384 часов (16 дней), даже в суровых условиях температуры и влажности (дополнительный рис. 22).

Рис. 4: Механическая надежность соответствующего ТЭГ.

a Результаты FEA, показывающие напряжение по Мизесу на поверхностях ТЭГ с медными пластинчатыми электродами и ТЭГ с мягкими электродами, залитыми AgNW, в условиях изгиба. b Напряжение по Мизесу в поперечных сечениях, обозначенных пунктирными линиями в a . c Результаты FEA, показывающие первую основную деформацию поверхностей двух ТЭГ при одноосной деформации 20%. d Первая основная деформация поперечных сечений, обозначенных пунктирными линиями в c . e Изменение сопротивления в зависимости от расстояния между концами ТЭГ и его радиуса изгиба. На вставленных фотографиях показаны виды сбоку изогнутого ТЭГ для разных радиусов изгиба. Шкала шкалы 2 см. f Циклическое испытание на изгиб совместимого ТЭГ, показывающее стабильную электропроводность во время и после циклов изгиба с радиусом изгиба ( r ) ~ 15 мм.На вставке показан увеличенный вид записанных данных. г , ч Экспериментально измеренные характеристики ТЭ ТЭГ, совместимого с 36-np-парами, после различных циклов изгиба с разными направлениями изгиба по оси x ( г ) и оси y ( h ) . Каждая вставка представляет собой оптическое изображение изогнутого ТЭГ с различными направлениями изгиба по оси x ( g ) и оси y ( h ) соответственно. Масштабные линейки 1 см. i Изменение сопротивления в зависимости от одноосной деформации от 0 до 20%. На вставленных фотографиях показан податливый ТЭГ при деформации 0 и 20%. Масштабная линейка, 1 см. j Циклическое испытание ТЭГ на растяжение, показывающее стабильную электропроводность во время и после циклов растяжения с деформацией 10%.

Улучшенные характеристики ТЭ на трехмерных поверхностях за счет приспосабливаемости

Благодаря этой высокой степени механической свободы и мягкости s-HC с низким тепловым импедансом, наш ТЭГ мог образовывать конформный контакт с различными трехмерными источниками тепла, что приводило к значительному улучшению ТЭ производительность на них.Чтобы четко продемонстрировать превосходную совместимость наших совместимых ТЭГ, мы изготовили эталонный ТЭГ (r-TEG), состоящий из ножек Bi 2 Te 3 TE и медных электродов, о которых широко сообщалось в предыдущих работах, и сравнили его деформацию при изгибе. с нашим совместимым ТЭГ (c-TEG). R-TEG показал грубую и угловую деформацию на нижней поверхности и даже отломился от подложки PDMS из-за концентрированной деформации растяжения (рис. 5a). С другой стороны, к-ТЭГ показал плавную и плавную деформацию (рис.5б). Более того, c-TEG сформировал идеальную окружность радиусом 7 мм без излома (рис. 5c). Чтобы систематически исследовать влияние улучшенной совместимости на характеристики TE на трехмерных источниках тепла, мы выполнили FEA, сравнив V OC s r-TEG и c-TEG, которые прикреплены к изогнутому источнику тепла (рис. 5г, д). R-TEG не может полностью охватывать изогнутую поверхность, что приводит к нежелательным воздушным зазорам, которые существенно затрудняют передачу тепла от источника тепла к нижней поверхности TEG.Напротив, c-TEG идеально подходил к изогнутой поверхности без воздушных зазоров, облегчая гораздо лучшую теплопередачу к ножкам TE. Полученное значение В OC составило ~ 243 мВ, что на ~ 600% выше, чем у р-ТЭГ. Эти результаты FEA подчеркивают, что наш подход может значительно повысить эффективность сбора энергии соответствующими ТЭГами на трехмерных источниках тепла. Чтобы дополнительно продемонстрировать надежный сбор энергии на трехмерных поверхностях, мы прикрепили совместимый ТЭГ к различным положениям алюминиевой чашки в форме колокола с анизотропной кривизной изгиба и проверили V OC ТЭГ, когда в воду заливали 78 ° C воду. чашка (рис.5е). ТЭГ генерировал максимум В OC ~ 340 мВ, и не наблюдалось значительной разницы в разрешении по времени В OC в зависимости от положения присоединения, что доказывает эффективный сбор тепла нашим совместимым ТЭГ независимо от формы источника тепла.

Рис. 5: Механическая совместимость совместимого ТЭГ.

a , b Фотографии изогнутых ТЭГ, содержащих ножки Bi 2 Te 3 и медные электроды ( a ) и мягкие электроды на основе AgNW ( b ).На каждой вставке схематично показаны виды сбоку каждого ТЭГ соответственно. Шкала линейки 5 мм. c Фотографии ТЭГ, соответствующих требованиям, демонстрирующие отличную совместимость при различных деформациях. Масштабные линейки 1 см. d , e Результаты FEA, демонстрирующие различные характеристики деформации и теплопередачи, соответствующие характеристикам TE для ТЭГ с медными электродами ( d ) и мягкими электродами на основе AgNW ( e ). f Фотографии ТЭГ, прикрепленного к разным позициям (верхняя, средняя и нижняя сторона) алюминиевой чашки в форме колокола.ТЭГ установил конформный контакт с трехмерной (3D) поверхностью алюминиевой чашки. На среднем схематическом изображении показаны анизотропные кривизны изгиба каждого положения, в котором был прикреплен ТЭГ. Правый график показывает временное разрешение V OC ТЭГ, прикрепленного к трем положениям, когда в алюминиевый стакан наливается горячая вода. Шкала шкалы 2 см.

Носимые приложения с автономным питанием

Чтобы продемонстрировать полностью автономное носимое устройство, которое выдает предупреждение о резком повышении температуры, вызванном нашим совместимым ТЭГ, мы разработали гибкую печатную плату (f-PCB) с повышающим преобразователь напряжения и пять светодиодов (LED) и интегрировал его с ТЭГ на 220 нп (рис.6a, b и дополнительный рисунок 23 для деталей). Когда Δ T Applied составляло ~ 20 К, ТЭГ генерировал ~ 1,8 мВт при 0,56 В, а выходное напряжение повышающего преобразователя составляло ~ 1,66 В при ~ 1,1 мВт, чего было достаточно для включения светодиодов. . Примечательно, что наша система с гибкими цепями питалась только от совместимого ТЭГ без дополнительного источника питания. Минимальная Δ T Applied , необходимая для включения светодиодов, была рассчитана как ~ 13 K (дополнительный рисунок 24). На рисунке 6c показаны входные и выходные напряжения повышающего преобразователя и результирующая работа светодиода, когда ТЭГ был помещен на горячую пластину для достаточного Δ T Applied .Входное и выходное напряжения увеличивались до ~ 0,56 и ~ 1,66 В соответственно, мгновенно включались светодиоды после того, как ТЭГ был помещен на горячую пластину, а затем генерируемые напряжения постепенно уменьшались по мере достижения состояния теплового равновесия (рис. 6d). ). Мы также продемонстрировали «перчатки для предупреждения о горячих поверхностях», интегрировав автономную светодиодную систему и световые маскирующие пакеты в перчатки для духовки (рис. 6e). Когда прикрепленные к ТЭГ перчатки использовались для захвата различных горячих предметов, таких как стеклянная бутылка и чайник, конформный контакт между нашим ТЭГ и трехмерными поверхностями приводил к появлению яркого знака «H» из-за того, что светодиоды были включены без помощь внешнего источника питания (рис.6f и дополнительный фильм 2). Эта демонстрация подчеркивает возможность использования нашего высокопроизводительного совместимого ТЭГ в практических носимых устройствах.

Рис. 6. Носимые приложения с автономным питанием и высокопроизводительным совместимым TEG.

a Фотография совместимого с большой площадью ТЭГ и гибкой печатной платы (f-PCB) с повышающим преобразователем напряжения и пятью светодиодами (LED). Правая фотография – увеличенный вид f-PCB. Масштабная линейка 2 см и 3 мм. b Принципиальная схема и оптическое изображение печатной платы f для повышающего преобразования напряжения и работы светодиода. Блок-схема показывает последовательность операций с выходным напряжением и мощностью после каждого блока. c Входное и выходное напряжения повышающего преобразователя при установке ТЭГ на электрическую плиту. d Оптические и инфракрасные изображения в реальном времени совместимого ТЭГ с повышающим преобразователем напряжения после того, как ТЭГ был помещен на горячую пластину. На фотографиях видно, что светодиоды включались сразу после контакта ТЭГ с горячей пластиной.Инфракрасные изображения показывают температуру верхней поверхности ТЭГ. Масштабные линейки 2 см. e Схематическое изображение перчаток для предупреждения о горячих поверхностях с автономной светодиодной системой и световыми маскирующими пакетами. f Фотографии, демонстрирующие использование перчаток с ТЭГ, когда они используются для захвата различных горячих предметов, таких как бутылка и чайник. На вставках увеличенный вид автономной системы и пакетов. Конформный контакт между прикрепленными к ТЭГ перчатками и трехмерными поверхностями источников тепла приводит к появлению яркого знака «H» без какой-либо помощи от внешнего источника питания.Масштабные линейки 5, 5 см и 5 мм.

Шум о термоэлектрических генераторах подогревается новыми многообещающими материалами на основе магния

Изображение кристаллической решетки термоэлектрического соединения Mg3Sb2 (атомы магния оранжевого цвета, сурьмы синего цвета). Электрический ток генерируется при прохождении тепла через материал, движимый фононными волнами. Предоставлено: ORNL / Джилл Хемман

.

Посадка марсохода НАСА Perseverance стала еще одним шагом вперед не только в освоении космоса, но и в технологии, которая используется кораблем во время его многолетней миссии на Марсе – термоэлектрический генератор, преобразующий тепло в электричество.

В поисках нового скачка в термоэлектрических технологиях исследователи из Университета Дьюка и Университета штата Мичиган получили новое фундаментальное представление о двух материалах на основе магния (Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2 ), которые имеют потенциал значительно превзойдет традиционные термоэлектрические конструкции, а также будет более экологически чистым и менее дорогим в производстве. Вопреки преобладающим научным представлениям об использовании тяжелых элементов, исследователи показали, что замена атомов более тяжелых элементов, таких как кальций и иттербий, более легкими атомами магния на самом деле привела к трехкратному увеличению характеристик материалов на основе магния.

В своем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , команда использовала эксперименты по рассеянию нейтронов и рентгеновских лучей в национальных лабораториях Министерства энергетики (DOE) в Ок-Ридже (ORNL) и Аргонне, а также моделирование суперкомпьютеров в Национальной лаборатории. Научно-вычислительный центр энергетических исследований (NERSC). Исследования в атомном масштабе выявили происхождение и механизм способности материалов преобразовывать тепловую энергию при комнатной температуре в электричество.Полученные данные указывают на возможные новые пути улучшения термоэлектрических приложений, например, в марсоходе Perseverance и множестве других устройств и технологий производства энергии.

Термоэлектрические материалы создают напряжение из-за разницы температур между горячей и холодной сторонами материала. Преобразуя тепловую энергию в электричество или наоборот, термоэлектрические устройства можно использовать для охлаждения или выработки электроэнергии из тепловых выхлопов.

«Традиционные термоэлектрические материалы основаны на тяжелых элементах, таких как свинец, висмут и теллур – элементах, которые не очень экологичны, и их также не так много, поэтому они, как правило, дороги», – сказал Оливье Делер, доцент. у герцога.«С другой стороны, магний легче и в большем количестве, что делает его идеальным материалом, например, для транспорта и космических полетов».

Как правило, пояснил Делер, более легкие материалы не очень подходят для термоэлектрических конструкций, потому что их теплопроводность слишком высока, что означает, что они передают слишком много тепла для поддержания разницы температур, необходимой для создания напряжения. Более тяжелые материалы обычно более желательны, потому что они проводят меньше тепла, что позволяет им сохранять и преобразовывать тепловую энергию более эффективно.

«Эти магниевые материалы, однако, имеют чрезвычайно низкую термоэлектрическую проводимость, несмотря на низкую массовую плотность. Эти свойства потенциально могут открыть дверь для разработки новых типов термоэлектриков, которые не будут полагаться на тяжелые материалы с токсичными элементами », – пояснил Делер.

Магниевые материалы, изученные командой, относятся к более крупному классу соединений металлов, называемых цинтлами. Атомная структура или расположение атомов в соединениях Zintl таковы, что относительно легко экспериментировать и заменять различные элементы в материале – например, заменять тяжелый элемент легким элементом для достижения оптимальных характеристик и функциональности.

«В химических исследованиях изучение возможностей новых материалов часто включает замену одного элемента на другой, просто чтобы посмотреть, что происходит. Обычно мы заменяем их химически подобными элементами в таблице Менделеева, и одним из больших преимуществ использования Zintls является то, что мы можем экспериментировать с множеством различных элементов и различных комбинаций », – сказал первый автор статьи Цзинсюань Дин, аспирант-исследователь. в группе Делера в Герцоге. «Никто не ожидал, что магний окажется лучшим соединением, но когда наши сотрудники из штата Мичиган заменили его в ингредиентах материалов, мы были удивлены, обнаружив, что это действительно так, поэтому следующим шагом было выяснить, почему.”

Атомы в материале не статичны или неподвижны; они колеблются с амплитудами, которые увеличиваются с повышением температуры. Коллективные колебания создают эффект ряби, называемый фононом, который выглядит как набор волн на поверхности пруда. Эти волны переносят тепло через материал, поэтому измерение фононных колебаний важно для определения теплопроводности материала.

Нейтроны уникально подходят для изучения квантовых явлений, таких как фононы, потому что нейтроны не имеют заряда и могут взаимодействовать с ядрами.Делер сравнил нейтронные взаимодействия с ощипыванием гитарной струны в том смысле, что они могут передавать энергию атомам, чтобы возбуждать колебания и извлекать скрытую информацию об атомах внутри материала.

Команда использовала спектрометр с широким угловым диапазоном, или ARCS, на источнике нейтронов расщепления (SNS) ORNL для измерения фононных колебаний. Полученные данные позволили им отследить благоприятную низкую теплопроводность материалов до особой магниевой связи, которая нарушает прохождение фононных волн через материал, заставляя их мешать друг другу.

«Нейтроны – один из лучших способов измерения колебаний атомов, подобных тем, которые мы изучаем в этих материалах», – сказал Дин. «ARCS может обнаруживать широкий диапазон частот и длин волн, что помогает нам измерять фононные волны, обнаруженные в материале, и это именно то, что нам нужно, чтобы лучше понять, как работают эти материалы с низкой теплопроводностью».

Измерения нейтронного рассеяния предоставили исследовательской группе обширный обзор внутренней динамики магниевых материалов Zintl, который помог направить и уточнить компьютерное моделирование и последующие рентгеновские эксперименты под руководством Дина.Они были использованы для полного понимания происхождения теплопроводности материалов.

Дополнительные рентгеновские эксперименты на аргоннском усовершенствованном источнике фотонов (APS) использовались для увеличения конкретных фононных мод в кристаллических образцах, слишком малых для нейтронных измерений. И нейтронные, и рентгеновские измерения согласуются с суперкомпьютерным моделированием, проведенным в NERSC.

Помимо Динга и Делера, соавторами статьи являются Тайсон Ланиган-Аткинс, Марио Кальдерон-Куэва, Арнаб Банерджи, Дуглас Л.Абернати, Айман Саид и Александра Зевалкинк.

«Термоэлектрики необходимы в таких приложениях, как марсоход Mars Perseverance, где требуется более простая, легкая и надежная конструкция, а не громоздкие двигатели с движущимися частями, которые традиционно используются для выработки электроэнергии из тепла», – сказал Делер. «Эти материалы на основе магния – большой шаг вперед в этой области, которые могут предложить значительно более высокую энергоэффективность и большой потенциал для более современных термоэлектрических применений.”

Ссылка: «Мягкие ангармонические фононы и сверхнизкая теплопроводность в термоэлектриках Mg 3 (Sb, Bi) 2 » Джингсуан Динг, Тайсон Ланиган-Аткинс, Марио Кальдерон-Куэва, Арнаб Банерджи, Дуглас Л. Абернати, Айман Саид , Александра Зевалкинк и Оливье Делер, 21 мая 2021 г., Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1449

Исследование проводилось при поддержке Управления науки Министерства энергетики США. SNS, NERSC и APS являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.UT-Battelle LLC управляет ORNL для Управления науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.

Энергетические системы | Энергетические и тепловые системы – НАСА RPS: Radioisotope Power Systems

Марсоход «Марсианская научная лаборатория» Curiosity сделал этот автопортрет, на котором в центре изображен его радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG).

Наследие разведки

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГи обеспечивают электроэнергией космические корабли путем преобразования тепла, выделяемого при распаде топлива плутония-238 (Pu-238), в электричество с помощью устройств, называемых термопарами. Поскольку в них нет движущихся частей, которые могут выйти из строя или изнашиваться, ритэги исторически считались высоконадежным источником питания. Термопары использовались в РИТЭГах в общей сложности более 300 лет, и ни одна термопара никогда не прекращала выработку энергии.

Термопары часто используются в предметах повседневного обихода, которые должны контролировать или регулировать их температуру, например, в кондиционерах, холодильниках и медицинских термометрах. Принцип термопары состоит из двух пластин, каждая из которых изготовлена ​​из разного металла, проводящего электричество. Соединение этих двух пластин с образованием замкнутой электрической цепи при поддержании двух переходов при разных температурах создает электрический ток. Каждая из этих пар спаев образует индивидуальную термопару. В РИТЭГе радиоизотопное топливо нагревает один из этих переходов, в то время как другой переход остается ненагретым и охлаждается космической средой или планетарной атмосферой.

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор Помеченный раздельный вид, показывающий основные компоненты MMRTG или многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора. Изображение предоставлено НАСА.

Текущая модель РИТЭГа – многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор или MMRTG . Он основан на типе РИТЭГов, которые ранее использовались на двух спускаемых аппаратах «Викинг» и космических кораблях «Пионер 10» и «Пионер-11» (РИТЭГ SNAP-19). Он предназначен для использования либо в космическом вакууме, либо в атмосфере планеты.Избыточная тепловая энергия от MMRTG может использоваться в качестве удобного и постоянного источника тепла для поддержания надлежащих рабочих температур космического корабля и его инструментов в холодных условиях.

Термоэлектрический генератор на ткани превращает тепло в энергию

Термоэлектрические (ТЭ) материалы преобразуют тепло в электричество и наоборот. Материалы обладают большим потенциалом для рекуперации отработанного тепла и твердотельного охлаждения.

В последние годы низкоразмерные материалы в последнее время вызывают большой интерес как термоэлектрические материалы.Такие материалы имеют ограничение носителей заряда, что улучшает термоэлектрические характеристики. Одним из таких материалов является углеродная нанотрубка. Поскольку углеродные нанотрубки одномерные, гибкие и легкие, они являются многообещающими кандидатами.

Однако сохранение значительного коэффициента мощности индивидуальных углеродных нанотрубок в макроскопических сборках было сложной задачей. Ученые из Университета Райса использовали крошечные углеродные нанотрубки, выровняли их как волокна и вшили в ткани. Их установка создает гибкие термоэлектрические генераторы, которые могут преобразовывать тепло или другие источники в энергию.

Впервые макроскопические сборки из наноматериалов продемонстрировали необходимый «гигантский коэффициент мощности», составляющий около 14 милливатт на метр в градусах Кельвина в квадрате.

Углеродные нанотрубки, которые использовали ученые, также можно использовать в качестве радиаторов для охлаждения чувствительной электроники с высокой эффективностью.

Аспирант

Райс Нацуми Комацу, ведущий автор статьи, сказала: «Коэффициент мощности показывает, какую удельную мощность можно получить из материала при определенной разнице температур и температурном градиенте.”

«Сверхвысокая электропроводность этого волокна была одним из ключевых атрибутов».

Эффект кажется простым: если одна сторона термоэлектрического материала горячее, чем другая, он производит энергию. Тепло может исходить от солнца или других устройств, таких как конфорки, использованные в эксперименте с тканью. И наоборот, добавление энергии может побудить материал охладить более горячую сторону.

Источник этой сверхмощи также связан с настройкой внутренней энергии Ферми нанотрубок, свойства, которое определяет электрохимический потенциал.Ученые контролировали энергию Ферми путем химического легирования нанотрубок, превращенных в волокна. Это позволило им настроить электронные свойства волокон.

Аспирантка Райс Нацуми Комацу, ведущий автор статьи, сказала: «Хотя тестируемые волокна были разрезаны на сантиметровые отрезки, нет никаких причин, по которым устройства не могут использовать превосходные волокна нанотрубок из лаборатории Паскуали, которые намотаны на катушку. непрерывной длины ».

«Независимо от того, где вы их измеряете, они обладают такой же очень высокой электропроводностью.Кусок, который я измерил, был маленьким только потому, что моя установка не способна измерять 50 метров волокна ».

Rice lab соавтора и инженера-химика и биомолекулярного инженера Маттео Паскуали сказал: «Волокна из углеродных нанотрубок находятся на устойчивом пути роста и доказывают свои преимущества во все большем количестве приложений. Вместо того, чтобы тратить углерод впустую, сжигая его в двуокись углерода, мы можем исправить его как полезные материалы, которые принесут дополнительные экологические выгоды при производстве и транспортировке электроэнергии.”

«Нанотрубки существуют уже 30 лет, и с научной точки зрения известно многое. Но для создания реальных устройств нам нужны макроскопически упорядоченные или кристаллические сборки. Это те типы образцов нанотрубок, которые могут сделать группа Маттео и моя группа, и есть много-много возможностей для применения ».

Ссылка на журнал:
  1. Komatsu, N., Ichinose, Y., Dewey, O.S. и другие. Макроскопические носимые волокна из углеродных нанотрубок с гигантским термоэлектрическим коэффициентом мощности.Нац Коммуна 12, 4931 (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-25208-z

Высокопроизводительный переносной термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, рециркуляции и Lego-подобной реконфигурации

Солнечное излучение, окружающее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на носимый ТЭГ производительность во время активного отдыха (рис. 5А, вверху). Энергетический баланс холодной стороны ТЭГ, которая подвергается воздействию окружающей среды, можно выразить как ( 38 ) Qsurf = Pnonrad + Prad − Pabs = hc (Tc − Tamb) + κBε¯emit (Tc4 − Ts4) −Psolarε¯abs

(1)

, где Q surf – полный тепловой поток на поверхности с холодной стороны на единицу площади, P nonrad и P rad – безызлучательная теплопередача и обмен теплового излучения на единицу площади. единица 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). Голая поверхность ТЭГ имеет сильное поглощение (> 0,87) в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм), что указывает на то, что поверхность может быть нагрета солнечным излучением, что значительно ограничивает ее тепловыделение. Чтобы улучшить характеристики ТЭГ на открытом воздухе, необходимо изменить поверхность с холодной стороны так, чтобы она была селективной 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 обеспечивать 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 сравнимую излучательную способность в окне пропускания атмосферы (от 8 до 2,5 мкм). 13 мкм). Детальный дизайн и изготовление метаматериала можно найти в нашей предыдущей работе ( 40 ). 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 поверхностью с избирательной длиной волны при холодная сторона в солнечный день с использованием лабораторной установки (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 освещенности 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 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 ТЭГ с открытой 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.

Отчет о мировом рынке термоэлектрических генераторов в 2021 году:

Дублин, 30 августа 2021 г. (GLOBE NEWSWIRE) – «Глобальный рынок термоэлектрических генераторов по областям применения (рекуперация отработанного тепла, сбор энергии, прямое производство электроэнергии, когенерация), температура (<80 ° C, 80-500 ° C,> 500 ° C» ) Отчет «Мощность, Тип, Материал, Вертикаль, Компонент, Регион – Прогноз до 2026 года» был добавлен в ResearchAndMarkets.com предложение.

Прогнозируется, что общий рынок термоэлектрических генераторов вырастет с 406 миллионов долларов США в 2021 году до 635 миллионов долларов США к 2026 году, при среднегодовом темпе роста 9,4% с 2021 по 2026 год.

По оценкам, на Северную Америку приходится наибольшая доля термоэлектрических рынок генераторов с 2021 по 2026 год.

Термоэлектрические генераторы и термоэлектрические материалы, которые ранее использовались в основном в нишевых приложениях, теперь становятся все более популярными с появлением более широких автомобильных приложений и попытками использовать технологии рекуперации отходящего тепла.Термоэлектрические генераторы не только очень надежны и долговечны, но и экологически безопасны, поскольку не содержат химических продуктов. Эти причины еще больше увеличивают их спрос.

В зависимости от мощности рынок термоэлектрических генераторов делится на маломощные (<10 Вт), средней мощности (10-1 кВт) и высокой мощности (> 1 кВт).

Мощность, производимая термоэлектрическими генераторами, сильно зависит от температуры, приложенной к их пластинам. Прогнозируется, что сегмент рынка термоэлектрических генераторов малой мощности (<10 Вт) будет расти с максимальным среднегодовым темпом роста в течение прогнозируемого периода.Более широкое использование носимых устройств и портативных бытовых электронных устройств является основным драйвером роста сегмента с низким энергопотреблением.

В зависимости от типа, с учетом процесса потока и теплопередачи источника тепла вместе с источником холода, ТЭГ подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатый сегмент занимал основную долю мирового рынка ТЭГ в 2020 году, а многоступенчатый сегмент будет иметь самый высокий среднегодовой темп роста в течение прогнозируемого периода.

В зависимости от температуры рынок термоэлектрических генераторов делится на низкотемпературные (<80 ° C), среднетемпературные (80-500 ° C) и высокотемпературные (> 500 ° C).

Эти температурные диапазоны зависят от приложения, в котором используются термоэлектрические генераторы. Согласно прогнозам, в низком (<80C) сегменте рынка термоэлектрических генераторов (ТЭГ) будет зарегистрирован самый высокий среднегодовой темп роста 11,2% в течение прогнозируемого периода. Строгие законы по сокращению выбросов CO2 привели к все более широкому применению термоэлектрических генераторов.

В зависимости от материала рынок термоэлектрических генераторов делится на теллурид висмута, теллурид свинца и другие.

Выбор термоэлектрического материала зависит от диапазона температур, в котором этот материал используется. В настоящее время теллурид висмута является наиболее широко используемым материалом, поскольку он имеет наивысшую добротность и демонстрирует высокие характеристики во всех областях применения. По прогнозам, сегмент рынка термоэлектрических генераторов (ТЭГ) из теллурида висмута покажет самый высокий среднегодовой темп роста в течение прогнозируемого периода.

В зависимости от компонентов рынок термоэлектрических генераторов подразделяется на источники тепла, термоэлектрические модули, холодную сторону и электрическую нагрузку.

Эти компоненты изготовлены из таких материалов, как теллурид висмута, теллурид свинца и другие, для лучшей теплопроводности. Прогнозируется, что сегмент термоэлектрических модулей будет иметь самый высокий среднегодовой темп роста в течение прогнозируемого периода. Растущее использование эффективных материалов для производства термоэлектрических модулей увеличивает спрос.

По вертикали рынок термоэлектрических генераторов подразделяется на автомобильный, аэрокосмический и оборонный, морской, промышленный, потребительский, здравоохранительный, нефтегазовый, горнодобывающий и телекоммуникационный.

Согласно прогнозам, в промышленном сегменте будет зафиксирован самый высокий рост в течение прогнозируемого периода благодаря внедрению ТЭГ в плавильных и доменных печах, а также в других областях химической обработки.

В зависимости от области применения рынок термоэлектрических генераторов подразделяется на сбор энергии, рекуперацию отходящего тепла, прямое производство электроэнергии и когенерацию. Ожидается, что приложение для рекуперации отходящего тепла будет лидером на рынке ТЭГ в течение прогнозируемого периода, что обусловлено растущей тенденцией электрификации автомобилей.Эта тенденция будет способствовать увеличению спроса на ТЭГ, которые производят электроэнергию из отработанного тепла автомобилей.

Согласно прогнозам, рост в Европе будет максимальным в течение прогнозируемого периода.

По оценкам, на европейский регион будет приходиться самый высокий среднегодовой темп роста рынка термоэлектрических генераторов в 2021 году. В рамках этого анализа регионального рынка рассматриваются Великобритания, Франция, Германия, Италия, Швеция, Испания, Россия и остальные страны Европы. Все более строгие правила, касающиеся выбросов CO2 от транспортных средств, являются одним из основных факторов, стимулирующих рынок ТЭГ в Европе.ЕС – крупнейший в мире регион, использующий возобновляемые источники энергии.

По данным Евростата, примерно 26% электроэнергии ЕС, 17% сектора отопления и охлаждения ЕС, а также 6% транспортной энергии ЕС получают из возобновляемых источников энергии. Европа вкладывает значительные средства в возобновляемые источники энергии из-за все более широкого ее использования в энергетическом секторе и растущего спроса на возобновляемую электрическую энергию в различных отраслях промышленности. Ожидается, что это, в свою очередь, повысит спрос на термоэлектрические генераторы в регионе.

Победителями рынка ТЭГ являются Gentherm, Inc (США), II-VI Incorporated (США), Ferrotec Corporation (Япония), Laird Thermal System (Великобритания), Komatsu Ltd. (Япония) и TEC Microsystems (Германия).

Premium Insights

  • Потребность в надежных и необслуживаемых источниках энергии стимулирует рынок Teg
  • Многоступенчатый сегмент, по прогнозам, будет расти быстрее в течение прогнозного периода
  • Автомобильный сегмент будет доминировать на рынке в течение прогнозного периода
  • Низкотемпературный сегмент – самый быстрый Рост в течение прогнозного периода
  • Северная Америка, по оценкам, составит наибольшую долю рынка термоэлектрических генераторов в 2021 году
  • По оценкам, на Германию будет приходиться наибольшая доля рынка в Европе в 2021 году

Динамика рынка

Драйверы

  • Растущий спрос для топливной эффективности при строгих нормах контроля выбросов
  • Растущий спрос в отдаленных районах развивающихся стран
  • Долговечные и необслуживаемые источники энергии

Ограничения

  • Низкая эффективность тегов
  • Высокая начальная стоимость и отсутствие квалифицированных специалистов Персонал

Возможности

  • Текущие исследования и разработки для повышения производительности Teg
  • Внедрение термоэлектрических генераторов в различных секторах

Вызовы

  • Существование заметных заменителей рынка и структурная сложность генераторов

Диапазон / сценарии

  • Средняя цена продажи
  • Анализ цепочки создания добавленной стоимости

Карта экосистемы рынка

  • Тенденции / сбои, влияющие на бизнес клиента
  • Сдвиг доходов и новые пять областей дохода для термоэлектрических генераторов
  • Анализ рынка Porter9
  • Тарифы и нормативная база

Тенденции в отрасли

Тенденции в технологиях

  • Автомобильные термоэлектрические генераторы выхлопных газов (Aetegs)
  • Носимые термоэлектрические генераторы 9058 9
  • Миниатюрные термоэлектрические генераторы
  • Солнечный термоэлектрический генератор (Steg)
  • Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
  • Термоэлектрические генераторы в аэрокосмическом секторе
  • Достижения в термоэлектрических материалах
  • Достижения в области термоэлектрических материалов
  • 84 Hemoelectric Device Анализ гибких материалов 905

    Сценарии использования термоэлектрических генераторов

    • Сценарий использования тегов в космической области
    • Сценарий использования тегов для рекуперации отходящего тепла в промышленности и домашнем хозяйстве
    • Пример использования тегов в организме человека
    • Пример использования тегов в отработанном тепле Восстановление для транспортных систем

    Влияние мегатенденций

    • Быстрая урбанизация и достижения в области термоэлектрических материалов
    • Повышение топливной эффективности

    Инновации и регистрации патентов

    Термоэлектрические охладители

    9 0683
  • Использование термоэлектрических охладителей в разных вертикалях
  • Упомянутые компании

    • Align Sourcing LLC
    • Analog Devices
    • Brimrose Corporation
    • Cui Devices
    • Everredtronics Ltd.
    • Faurecia
    • Ferrotec Corporation
    • Gentherm, Inc.
    • Hi-Z Technology
    • Ii-Vi Incorporated
    • Kelk Ltd.
    • Komatsu Ltd.
    • Kryotherm
    • Kyocera Corporation
    • Группа
    • Micropelt
    • Murata Manufacturing Co. Ltd
    • Novus Energy Technologies, Inc.
    • P&N Technology (Xiamen) Co., Ltd.
    • Perpetua Power Source Technologies, Inc.
    • Phononic Inc.
    • Pl Engineering
    • Rgs Development
    • Rif Corporation
    • Rmt Ltd
    • Sheetak
    • Te Technology, Inc.
    • Toshiba Corporation
    • Wellen Technology Co., Ltd.
    • Yamaha Corporation

    Для получения дополнительной информации об этом отчете посетите https://www.researchandmarkets.com / r / yn8foh

     

    Физики создают крошечные термоэлектрические генераторы с большим количеством энергии

    Доктор Марк Ли (на снимке в 2019 году), профессор физики в Школе естественных наук и математики Университета штата Вашингтон в Далласе, и его команда работали с Texas Instruments над созданием практичных и экономичных термоэлектрических генераторов. Их самый последний генератор может приводить в действие устройство Интернета вещей, рециркулируя тепло окружающей среды от теплого медного стержня.

    Электронные датчики

    могут передавать данные из множества удаленных мест, если они имеют питание.Задача состоит в том, чтобы обеспечить безопасное и надежное питание, когда нет розетки, нет света для солнечных батарей и нет доступа для замены батареи.

    Исследователи из Техасского университета в Далласе в сотрудничестве с Texas Instruments используют комбинацию кремния и германия таким образом, чтобы использовать отходящее тепло для обеспечения достаточной мощности для работы коммерческих электронных устройств.

    В исследовании, опубликованном 31 августа в журнале Nature Communications , они показывают, что их крошечные термоэлектрические генераторы могут обеспечить практическое, экономичное и производимое в массовом порядке решение для выработки энергии только при относительно небольшой разнице температур.

    «Эти новые результаты соответствуют метрике, которая очень важна для реальных практических приложений», – сказал д-р Марк Ли, профессор физики Школы естественных и математических наук и старший автор статьи. «Включая 3% германия в микроэлектронный термоэлектрический генератор на основе кремния, мы можем генерировать достаточное напряжение и ток для питания коммерческого устройства Интернета вещей, используя только теплый медный стержень в качестве источника энергии».

    В широком смысле в устройства Интернета вещей (IoT) встроены датчики, коммуникационная электроника и другое программное обеспечение, которое удаленно подключается и обменивается данными с другими устройствами и системами.

    «Эти устройства производятся с учетом того, что они будут развернуты в местах, где не будет много энергии», – сказал Ли. «Таким образом, они были разработаны для работы с минимально возможным уровнем энергии».

    «Включив 3% германия в микроэлектронный термоэлектрический генератор на основе кремния, мы можем генерировать достаточное напряжение и ток для питания коммерческого устройства Интернета вещей, используя в качестве источника энергии только теплый медный стержень».

    Др.Марк Ли, профессор физики Школы естественных и математических наук

    Термоэлектрические генераторы перерабатывают окружающее отходящее тепло – например, тепло, которое отходит от асфальтовой дороги на солнце или из-за трения от автомобилей, движущихся по дороге, – в электроэнергию.

    «Большой потенциал для этих генераторов заключается в рекуперации и утилизации отработанного тепла от других электронных устройств», – сказал Прабудда Мадусанка, докторант физики Университета штата Даллас и соавтор исследования.

    Существующие термоэлектрические генераторы громоздки, содержат редкие или токсичные элементы и несовместимы с технологией изготовления кремниевых интегральных схем, что препятствует их широкомасштабному использованию в микроэлектронике, – сказала Ручика Дхаван, докторант физики UT Даллас и со-ведущий автор. исследования.

    Хотя кремний обладает множеством полезных электрических свойств, которые делают его материалом рабочей лошадки для современных микрочипов, он также обладает высокой теплопроводностью, что означает, что он очень хорошо передает тепло.«Это свойство является недостатком для использования при производстве электроэнергии», – сказал Дхаван.

    Что необходимо, так это термоэлектрический генератор, который содержит материал, который хорошо работает с кремнием для снижения его теплопроводности, недорогой и может быть легко включен в стандартный процесс производства промышленных устройств.

    Ли сказал, что для устройств IoT обычно требуется минимум 1,6–1,8 вольт и минимальный ток около 2 микроампер. Новые кремний-германиевые термоэлектрические генераторы могут производить его при обычной комнатной температуре (около 23 градусов по Цельсию или 73 градуса по Фаренгейту) из медного стержня, нагретого до 45 C (113 F).

    «Вот где мы переступили новый порог: продемонстрировав коммерческую жизнеспособность этой технологии», – сказал Ли.

    Разработкой и изготовлением устройств Интернета вещей, включающих термоэлектрические генераторы, занималась команда Texas Instruments во главе с Хэлом Эдвардсом, научным сотрудником компании TI. Он объяснил, что сотни отдельных термоэлектрических генераторов, каждый размером с крупицу соли, объединены в то, что он назвал макроскопическим комбайном.

    «Соединив последовательно сотни крошечных харвестеров, как крошечные батареи, мы достигли достаточно высокого напряжения, чтобы включить настоящие микрочипы – в данном случае коммерчески приобретенный маломощный датчик внешней освещенности и интегральную схему управления питанием», – Эдвардс сказал.«Это прекрасная демонстрация того, что этот исследовательский проект действительно генерировал полезную энергию, что делает его настоящим технологическим доказательством концепции. Нет причин, по которым мы не смогли бы сделать генератор еще больше, если бы это было необходимо ».

    Ли охарактеризовал союз UT Dallas с TI как критический: «Ни один университет не может по-настоящему воспроизвести современное промышленное производство кремния, что является неотъемлемой частью доказательства осуществимости предлагаемого метода.

    «Исследователи могут изготовить единичный предмет с помощью метода, который, в принципе, совместим с кремниевой КМОП-технологией (комплементарный металл-оксид-полупроводник).В нашем случае, однако, TI изготовила это на существующей производственной линии, и мы следовали всем правилам – не только в принципе – это совместимо на практике ».

    UT Выпускник Далласа Ганьи Ху, доктор философии’19, также входит в число авторов статьи вместе с исследователями из Texas Instruments. Работа была поддержана Национальным научным фондом через программу грантов для академических связей с промышленностью (GOALI) и TI.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.