Генератор электричества тепловой: Тепловой генератор MIT извлекает электричество «из ниоткуда» | Новости

Тепловой генератор MIT извлекает электричество «из ниоткуда» | Новости

Мы буквально купаемся в океане энергии, и устройство, разработанное в Массачусетском технологическом институте (MIT), позволяет зачерпнуть из него. Это устройство, тепловой резонатор, способно получать электричество из небольших суточных колебаний температуры воздуха.

Большинство известных термоэлектрических генераторов используют пространственные флуктуации температуры. Так, например, поток тепла, движущиеся от более нагретой стороны объекта к менее нагретой, увлекает с собой носители заряда и создаёт разность электрических потенциалов, генерирует электричество. Однако разница температур для того, чтобы этот, термоэлектрический эффект имел прикладное значение, должна быть довольно велика.

Новая техника базируется на так называемом пироэлектрическом эффекте и рассчитана на небольшие изменения температуры, естественно происходящие в течение дня.

«Мы, по сути, изобрели эту концепцию на ровном месте и построили первый тепловой резонатор. Это то, что может стоять на столе и генерировать энергию как бы из ниоткуда. Мы все время окружены колебаниями температуры разной частоты. Это неиспользованный источник энергии», — пишет Майкл Страно (Michael Strano), соавтор публикации об этой работе в Nature Communications.

Активным компонентом резонатора служит пенообразный металл (медь или никель), заполненный октадеканом — органическим веществом, которое переходит из жидкого в твёрдое состояние при определённой температуре. Снаружи резонатор покрыт слоем графена, имеющим отличную теплопроводность. Такое строение обеспечивает устройству очень высокую тепловую эффузию, то есть способность эффективно обмениваться тепловой энергией с окружающей средой.

Тепло с более горячей стороны резонатора течёт сквозь него и по пути консервируется октадеканом, изменяющим фазовое состояние. Поскольку разные стороны резонатора всегда нагреты неодинаково, тепло постоянно движется в нём взад и вперёд в попытках достичь равновесия. Запасаемая в процессе этого энергия может перерабатываться в электричество обычными термоэлектрическими генераторами.

Авторы испытывали своё изобретение 16 дней, на протяжении которых колебания температуры достигали 10 °C. Система смогла генерировать 350 мВ с выходной мощностью 1,3 мВт, превзойдя по продуктивности типичный пироэлектрический материал таких же габаритов.

Полученной небольшой энергии достаточно для питания экономичных датчиков. При этом, подача электричества определяется только температурными флуктуациями окружающей среды, то есть не прерывается в безветрие или в тёмное время суток, как у ветрогенераторов или солнечных батарей.

Защита промышленных сетей: основные риски и сценарии атак

Тепловой генератор MIT извлекает электричество «из ниоткуда»

Мы буквально купаемся в океане энергии, и устройство, разработанное в Массачусетском технологическом институте (MIT), позволяет зачерпнуть из него. Это устройство, тепловой резонатор, способно получать электричество из небольших суточных колебаний температуры воздуха.

Большинство известных термоэлектрических генераторов используют пространственные флуктуации температуры. Так, например, поток тепла, движущиеся от более нагретой стороны объекта к менее нагретой, увлекает с собой носители заряда и создаёт разность электрических потенциалов, генерирует электричество. Однако разница температур для того, чтобы этот, термоэлектрический эффект имел прикладное значение, должна быть довольно велика.

Новая техника базируется на так называемом пироэлектрическом эффекте и рассчитана на небольшие изменения температуры, естественно происходящие в течение дня.

«Мы, по сути, изобрели эту концепцию на ровном месте и построили первый тепловой резонатор. Это то, что может стоять на столе и генерировать энергию как бы из ниоткуда. Мы все время окружены колебаниями температуры разной частоты. Это неиспользованный источник энергии», — пишет Майкл Страно (Michael Strano), соавтор публикации об этой работе в Nature Communications.

Активным компонентом резонатора служит пенообразный металл (медь или никель), заполненный октадеканом — органическим веществом, которое переходит из жидкого в твёрдое состояние при определённой температуре. Снаружи резонатор покрыт слоем графена, имеющим отличную теплопроводность. Такое строение обеспечивает устройству очень высокую тепловую эффузию, то есть способность эффективно обмениваться тепловой энергией с окружающей средой.

Тепло с более горячей стороны резонатора течёт сквозь него и по пути консервируется октадеканом, изменяющим фазовое состояние. Поскольку разные стороны резонатора всегда нагреты неодинаково, тепло постоянно движется в нём взад и вперёд в попытках достичь равновесия. Запасаемая в процессе этого энергия может перерабатываться в электричество обычными термоэлектрическими генераторами.

Авторы испытывали своё изобретение 16 дней, на протяжении которых колебания температуры достигали 10 °C. Система смогла генерировать 350 мВ с выходной мощностью 1,3 мВт, превзойдя по продуктивности типичный пироэлектрический материал таких же габаритов.

Полученной небольшой энергии достаточно для питания экономичных датчиков. При этом, подача электричества определяется только температурными флуктуациями окружающей среды, то есть не прерывается в безветрие или в тёмное время суток, как у ветрогенераторов или солнечных батарей.

Страница не найдена

Число фаз отходящих линий	информация	1 фаза 2 фазы 3 фазы (с нейтралью)
Количество отходящих линий	информация	1 фаза 2 фазы 3 фазы (с нейтралью)
Тип защитных устройств отходящих линий	информация	предохранители авт. выключатели
Характеристики срабатывания защитных устройств:Предохранители: рабочий ток (Iном) /время срабатывания (T-1 - обычные, 2 - быстродействующие, 3 - с замедлением)/Количество полюсов на отходящую линию (Np-1, 2, 3, 4)/Количество (N)	информация
Автоматические выключатели:рабочий ток (Iном) / типы расцепителей (R1- электромагнитный +тепловой, 2-электромагнитный, 3-тепловой, 4-дистанционный) характеристика кратности срабатывания (Х- B, C, D и д. ) /количество полюсов на отходящую линию (Np-1, 2, 3, 4) /количество (N)	информация
Необходимость наличия УЗО	информация	да нет
Ток срабатывания УЗО, мА	информация	30 мА 300 мА другой
Необходимость наличия сигнализации состояния защитных устройств (вкл/откл, аварийное срабатывание)	информация	да нет другое
Выдача сигналов о состоянии	информация	«сухие» контакты мнемосхема
Доступ к органам управления защитных устройств	информация	при закрытой двери шкафа при открытой двери
Предпочтительный изготовитель защитных устройств	информация

УДК 621. 382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

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

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

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

Е-mail: [email protected]

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

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

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

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

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

E-mail: [email protected]

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

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

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

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

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

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

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Библиографические ссылки

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

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

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

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

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

Использование газовой тепловой пушки для получения электроэнергии | Архив С.О.К. | 2018

Россия включает в себя самые холодные регионы в мире, поэтому проблема отопления помещений всегда находилась если не на первом месте, то, как минимум, в числе важнейших. В различное время для этих целей применялись самые разнообразные устройства — от печки до калорифера. У каждого из них имелся один большой недостаток — низкая мощность и, как следствие, большой промежуток времени, необходимый для достижения комфортной температуры в отапливаемом помещении. Именно это подтолкнуло к быстрому росту популярности такого вида обогревателя, как тепловая пушка.

Так, появление первых тепловых пушек в России сразу сделало их необычайно популярными из-за условий нашего климата и в связи с тем, что большинство зданий в России не имеют централизованного отопления, а также учитывая мобильность и эффективность этих обогревателей. Все эти причины сформировали стабильный, увеличивающийся с каждым годом спрос. Мировой и российский рынок газовых нагревателей воздуха или газовых тепловых пушек переполнен такими агрегатами китайского, корейского, американского, немецкого, итальянского, польского производства. И все они служат для получения тепла от сгораемого топлива, но не могут служить для получения электроэнергии.

Использование тепловой пушки также для получения электрической энергии ещё более увеличит спрос на такой универсальный когенератор.

Задача одновременного получения тепла и электроэнергии от газовой тепловой пушки и превращения её в теплоэлектрогенератор (ТЭГ) является весьма актуальной задачей автономной малой энергетики. Круг заказчиков и потребителей таких когенераторов (рис. 1) расширится по сравнению с количеством заказчиков тепловых пушек многократно. Они могут стать предметом экспорта из России.

При разработке ТЭГ на газовом топливе можно использовать простой газовый нагреватель воздуха прямого действия, то есть не имеющий теплообменника. Такие устройства безопасны, количество выделяемых ими вредных веществ такое же, как и у обычной газовой плиты при одинаковой мощности.

Поэтому на начальном этапе исследования за основу взят наиболее простой газовый нагреватель воздуха. При проведении исследования планируется применить струйный аппарат — газовый эжектор для смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом и получения сжатой смеси на выходе из эжектора, а для создания разрежения в горелке использовать компрессор и турбину.

Целью создания разрежения в горелке является подсос воздуха из окружающей среды для горения газа. Целью смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом в эжекторе является подвод энергии к рабочему телу. Целью сжатия смеси в эжекторе является использование потенциальной энергии давления рабочего тела для работы турбины. 

В этом состоит отличие эжекторного ТЭГ от других энергетических установок (ДВС, ГТД), в которых сгорание топлива производится при переменном или постоянном давлении в предварительно сжатом воздухе с целью подвода энергии к рабочему телу и получения полезной работы при расширении рабочего тела (продуктов сгорания) в цилиндре ДВС или на лопатках турбины.

В эжекторе ТЭГ низкопотенциальная энергия окружающей среды и тепловая энергия смеси воздуха и продуктов сгорания топлива преобразуются в повышенную потенциальную энергию общего потока смеси, которая используется для получения механической работы в ТЭГ.

Эжектирование — приведение в движение пара, газа или жидкости путём разрежения среды, которая создаётся в соответствии с законом Бернулли другим, движущимся с большей скоростью, рабочим потоком путём нагнетания газа в получаемую разреженную среду. Источником энергии может становиться потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха. Под действием полученного разрежения воздух поступает в смеситель эжектора, расширяясь и ускоряясь, подобно природному процессу, а при прохождении диффузора на выходе из эжектора давление газовоздушной смеси повышается и смесь поступает в расширительную машину (турбину). Газовый эжектор (рис. 2) — устройство, в котором избыточное давление высоконапорных газов используется на компримирование газов низкого давления.

Газовый эжектор прост по конструкции, надёжен в работе, имеет малый срок окупаемости, работает в широком диапазоне изменения параметров газа. Использование в работе эжекторного оборудования элементарных физических законов (Бернулли) позволяет получать эффективные и надёжные технические решения (по сравнению с механическими нагнетателями — компрессорами, насосами, вентиляторами и др.). Эжектор относится к струйным аппаратам, в которых осуществляется процесс, заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому потоку путём непосредственного контакта (смешения).

Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называется эжектирующим или рабочим потоком, а с меньшей скоростью — эжектируемым.

Эжекторы используются для вентиляции помещений, для откачки горячих газов, а также могут использоваться для всасывания и прокачки атмосферного воздуха через теплообменник и откачки горячих продуктов сгорания топлива.

Как правило, в струйных аппаратах происходит сначала преобразование потенциальной энергии и теплоты в кинетическую энергию. В процессе движения через проточную часть струйного аппарата происходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков, а затем обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию. Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппарата выше давления эжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока. На сжатие газовой смеси в эжекторе затрачивается меньше энергии, чем расходуется энергии турбины на работу воздушного компрессора в ГТД.

В конструкции струйного насоса (эжектора) нет механического привода. За счёт этого он обладает хорошими производственными характеристиками. Простота схем включения струйных аппаратов в различные установки связана с исключительной простотой их конструкции, а также несложностью их изготовления, что уже обеспечило широкую область использования этих аппаратов в технике.

Первым учёным, обратившим внимание на необходимость поиска нетрадиционных источников в энергетике, был Никола Тесла. В 1892 году он высказал такую мысль: «Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство. Всё окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен быть найден более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. Когда свет получится из окружающей нас среды, и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из этого неисчерпаемого источника, человечество пойдёт вперёд гигантскими шагами».

Эта идея Николы Тесла является призывом к поискам альтернативных источников энергии. В поисках таких источников многие специалисты обращают внимание на струйную энергетику. Сегодня учёные уже практически подошли к реализации именно этой идеи.

Пример использования струйного аппарата — трансзвуковой струйный насосподогреватель «Фисоник» (рис. 3), в котором за счёт пара производится нагревание воды при смешивании пара с водой и нагнетание горячей воды в тепловую сеть. «Фисоник» — это теплообменник, в котором не создаётся механическая работа, а используется только давление воды, и рабочим телом служит водяной пар.

Другим примером многолетнего использования струйного аппарата является карбюратор двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В таком двигателе при движении поршня создаётся разрежение в карбюраторе, в который, как в эжектор, засасывается топливо, а получаемая топливно-воздушная смесь после сжатия сгорает в двигателе.

Основой внедрения эжекционного процесса в энергетике стало научное открытие №314 (от 2 июля 1951 года) О. И. Кудрина, А. В. Квасникова и В. Н. Челомея «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струёй». Позднее было доказано, что данный эффект оказался полезен не только для создания дополнительной реактивной тяги авиационного движителя, но и для использования его в эжекторном сопловом аппарате ГТД с целью получения дополнительной мощности на валу [2].

К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно, потому, что изначально исследования проводились в авиационной отрасли и были направлены только на получение дополнительной реактивной тяги летательных аппаратов. Это обстоятельство, наряду с закрытостью информации об экспериментальных исследованиях в авиационной отрасли, стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать не только для получения реактивной тяги, а более эффективно и в других вариантах преобразования энергии атмосферы. Вместе с тем, атмосфера до сих пор не стала объектом тщательного научного исследования с целью разработки процессов управляемого преобразования энергии для последующего использования в энергетических системах.

На начальном этапе исследований предлагается энергию окружающей среды использовать в комбинированной энергетической установке (КЭУ) с внешним сгоранием топлива при внедрении струйной технологии, в которой потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха является дополнительным источником энергии (рис. 4).

В исследуемом эжекторном теплоэлектрогенераторе с целью использования низкопотенциальной энергии внешней среды в компрессоре сжимают воздух и подают его в сопловой аппарат эжектора, на выходе из которого активной воздушной струёй создаётся разрежение и через горелку в зону разрежения происходит всасывание из внешней среды воздуха, который обеспечивает горение топлива. Затем воздух, отходящий из соплового аппарата эжектора, смешивается с продуктами сгорания топлива и дополнительно с воздухом, поступающим из внешней среды, и горячая газовоздушная смесь после сжатия в диффузоре эжектора поступает на лопатки турбины, служащей приводом компрессора и генератора.

Тем самым, за счёт создаваемого в эжекторе разрежения, дополнительным источником энергии становится потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха, который под действием разности давлений всасывается в смеситель, где также смешивается с продуктами сгорания топлива и воздухом от компрессора, образуя при прохождении через диффузор эжектора высокопотенциальную смесь, воздействующую непосредственно на лопатки турбины.

Алгоритм работы теплоэлектрогенератора с газовой горелкой и эжектором может быть таким. Перед запуском эжекторного ТЭГ включается вентилятор, воздух проходит через горелку и поступает на турбину, которая раскручивается вместе с компрессором и генератором. Воздух от компрессора пропускается через сопло эжектора, создаёт разрежение на входе в эжектор и увеличивает поток воздуха через горелку. Затем поджигается топливо (газ), и начинается процесс горения с нагнетанием вентилятором воздуха на горение топлива. Продукты сгорания топлива под действием нагнетания от вентилятора и разрежения от эжектора выходят из горелки и с высокой температурой поступают в камеру смешения эжектора, где смешиваются с воздухом.

Рабочая смесь из воздуха и продуктов сгорания с высоким теплосодержанием от тепла сгораемого топлива проходит через эжектор, давление смеси в диффузоре эжектора повышается, и смесь с повышенным давлением подаётся в турбину, мощность турбины и, соответственно, частота вращения вала компрессора и расход воздуха через сопло эжектора увеличиваются. Разрежение в горелке возрастает и поступающего атмосферного воздуха становится достаточно для обеспечения автономного горения топлива в горелке. После запуска теплоэлектрогенератора и выхода его на режим автономного поддержания работы горелки и вращения турбины с компрессором электрический вентилятор отключается.

Атмосферный воздух, обладающий потенциальной энергией давления от гравитационного сжатия, поступает через горелку вместе с горячей газовоздушной смесью в зону разрежения — камеру смешения эжектора, при этом уменьшаются затраты энергии на подвод воздуха к горелке и обеспечивается полное сгорание топлива с избытком воздуха. За счёт экономии энергии на подачу воздуха для горения топлива можно получить более высокий КПД преобразования энергии топлива, чем в ГТД. А если в горелке турбинного когенератора с эжектором будет использован природный газ низкого давления без применения дожимного компрессора, то появится возможность иметь свою электростанцию и источник тепла в каждом сельском доме.

Предлагаемая технология с использованием продуктов сгорания топлива, смешиваемых с воздухом с помощью струйного аппарата (эжектора), может быть использована для работы экономичного газотурбинного двигателя. В КЭУ потенциальная энергия окружающей среды и тепловая энергия смеси продуктов сгорания топлива с воздухом преобразуются в кинетическую энергию общего потока смеси, которая после преобразования в диффузоре эжектора используется для работы турбины. В итоге на получение общего потока рабочей газовоздушной смеси в КЭУ с эжектором затрачивается меньше энергии, чем расходуется энергии турбины на работу воздушного компрессора в обычном ГТД, что ведёт к повышению общего КПД и снижению удельного расхода топлива в КЭУ.

В этом отличие КЭУ от других энергоустановок, позволяющее формировать рабочее тело для газовой турбины путём перемешивания продуктов сгорания любого топлива с воздухом и повышения давления этой смеси в диффузоре эжектора, чтобы направить её в расширительную машину — газовую турбину.

В турбине рабочая смесь с большим содержанием чистого воздуха, совершая работу на привод компрессора и электрического генератора, расширяется, её температура понижается, и отходящая смесь при умеренной температуре и минимальном содержании СО₂ поступает в теплицы, сушильные и другие отапливаемые объекты. Учитывая небольшое содержание СО₂ в продуктах сгорания и повышенное содержание в отходящей смеси воздуха, смесь может также нагнетаться в фермы для животных и жилые помещения.

Несомненно одно — создание высокоэкономичного теплоэлектрогенератора с применением тепловой пушки на газовом топливе в сочетании с эжектором и турбокомпрессором, с частичным использованием окружающей нас энергии атмосферы может стать важным шагом на пути освоения бестопливной энергетики в России.

Выводы

1. Для автономной работы ТЭГ не требуется подводить энергию от внешнего источника, то есть агрегат может начать работу в местах, не имеющих никакой энергии, кроме газа, который надо поджечь.

2. Отсутствие воды и пара в ТЭГ нового типа важно при работе в арктических условиях эксплуатации.

3. В отличие от паротурбинной энергетической установки с замкнутым циклом, с атмосферной газовой горелкой и внешним подогревом рабочей низкокипящей жидкости в новом ТЭГ используются продукты сгорания газа в качестве источника тепла и для одновременного получения рабочей газовоздушной смеси для обеспечения работы газовой турбины.

4. В отличие от авиационной ВСУ с камерой сгорания, турбокомпрессором и генератором, ТЭГ не имеет в своём составе камеры сгорания, работающей при повышенном постоянном давлении рабочего тела, как в любом ГТД. Для получения рабочей газовоздушной смеси используются атмосферная газовая горелка и эжектор с камерой смешения продуктов сгорания и воздуха.

5. Эжектор позволяет иметь пониженную температуру рабочего тела на выходе из ТЭГ. Использование газовоздушной смеси с большим содержанием воздуха и невысокой температурой на выхлопе позволит уменьшить выброс тепла и СО₂ в атмосферу по сравнению с современными бензиновыми и дизельными двигателями и угольными котельными.

6. Разрабатываемый теплоэлектрогенератор как эжекторно-турбинный когенератор на газовом топливе не имеет аналогов даже за рубежом.

7. Использование эжекторного струйного аппарата для работы эжекторно-турбинного когенератора на газовом или ином топливе позволит сочетать в одном агрегате автономный электрический турбогенератор небольшой мощности и эффективный источник тепла для систем отопления и горячего водоснабжения.

Если в горелке эжекторно-турбинного когенератора будет использован бытовой газ низкого давления без применения дожимного компрессора, то появится возможность иметь свою электростанцию и источник тепла в каждом сельском доме в нашей стране.

С помощью графена создан генератор «бесконечной» энергии

Физики из Университета Арканзаса разработали схему на основе графена, которую условно можно считать «вечным двигателем» — генератором бесконечной и чистой энергии. В этом нет противоречия законам термодинамики. Энергию научились добывать из теплового движения атомов углерода.

Как выяснилось в ходе эксперимента, под действием никогда не прекращающегося хаотического теплового движения внутри графена одиночно закреплённая пластинка этого вещества толщиной в один атом углерода медленно колеблется и изгибается.

Фактически это вариант одной из версии микроэлектромеханических устройств (MEMS), которые промышленность научилась выпускать и, так или иначе, пристроила к делу, включая создание генераторов электричества из механических колебаний. Но никто ещё не рискнул создать генератор на основе улавливания колебаний теплового движения атомов, что считалось невозможным.

Чтобы колебания графена и полученный в результате этого переменный ток был преобразован в постоянный ток, физики из Арканзаса предложили схему с двумя диодами. Поставленный эксперимент доказал, что схема генерирует добавочную мощность на нагрузке. Как считают учёные, миллионы подобных схем на кристалле могут стать источником маломощного питания автономных систем, датчиков и другого.

«Мы перенаправили ток в цепи и превратили его во что-то полезное. Следующая цель команды — определить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования. Эта цель требует миниатюризации схемы и нанесения ее на кремниевую пластину или кристалл. Если бы миллионы этих крошечных схем могли быть построены на микросхеме размером 1 на 1 миллиметр, они могли бы служить заменой маломощной батареи», — сказал один из авторов исследования профессор физики Пол Тибадо (Paul Thibado).

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Учёные из MIT закладывают основу для генерации «бесконечной» энергии даже от слабых источников тепла

Около 70 % используемой во всём мире энергии «уходит в свисток» — выбрасывается в окружающее нас пространство в виде отработанного тепла. Учёные видят в этом скрытый потенциал для получения дармовой электрической энергии. Останавливает только то, что необходимых для этого материалов и технологий всё ещё нет. Но работа ведётся. Свет в тоннеле ещё не виден, но направление движения известно, а открытия обнадёживают.

Разница температур в вейлевских полуметаллах под воздействием внешнего магнитного поля вырабатывает электричество. Источник изображения: MIT

Группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) провела исследование так называемых топологических полуметаллов Вейля. В ходе экспериментов выяснилось, что в изучаемом материале под действием наведённого электромагнитного поля проявился квантовый эффект. В частности, квазичастицы под названием фермионы Вейля оказались способны эффективно превращать тепло в электричество.

На страницах нашего сайта множество раз упоминались элементы и эффект Пельтье, когда с помощью электричества производится перенос энергии — управляемый нагрев или охлаждение. Обратный процесс называется эффект Зеебека, который проявляется в том, что разница температур на контактах вызывает течение тока. Широко использовать эффект Зеебека невозможно по той причине, что все исследованные материалы обладают крайне низким термоэлектрическим эффектом и хоть как-то полезны при нагреве до очень высоких температур.

Обнаруженные относительно недавно топологические полуметаллы Вейля обещают проявить значительный термоэлектрический эффект при комнатной температуре и даже ниже. Представьте, например, генератор электричества от тепла процессора смартфона, который питает сам себя пока работает, или существенно экономит при этом заряд батареи. Всё это и многое другое может быть возможно, если получится найти подходящие соединения.

Исследователи из MIT провели эксперимент с найденным в 2015 году соединением фосфида тантала (TaP). Изготовленный в лаборатории образец кристалла обрезали до тонкой полоски и нагрели с одной стороны. При этом на кристалл навели магнитное поле силой 9 тесла. Полученный коэффициент мощности оказался в десять раз больше, чем для всех известных материалов. Правда, для этого другой конец кристалла пришлось охладить до температуры 40 K (-233 °C), что не позволило зафиксировать рекорд полученного термоэлектрического эффекта.

Учёные рассчитывают найти материалы, которые показывали бы сильнейший термоэлектрический эффект при комнатной температуре. Поставленный опыт доказал возможность продвинуться в этом направлении, и когда-нибудь это будет сделано.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Как работают термоэлектрические генераторы | ООО «Прикладные термоэлектрические решения»

Как работают термоэлектрические генераторы

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

Модуль термоэлектрического генератора

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

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

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

В центре внимания остальных постов - термоэлектрические генераторы.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

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

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

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

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

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

Теллурид сурьмы и висмута (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

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

Модуль термоэлектрического генератора

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

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

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

Алессандро Вольта

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

Домашний термоэлектрический генератор Модули ТЭГ 100 Вт дровяной генератор

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

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

Энергетические проекты термоэлектрических генераторов - Термоэлектрический генератор

Энергетические проекты термоэлектрических генераторов админ 2018-06-10T18: 28: 25 + 00: 00

Ниже приведены лишь некоторые из многих проектов по производству термоэлектрических генераторов, которые мы разработали или помогли разработать за нашу 25-летнюю историю.Многие из этих проектов продолжают развиваться в более крупные проекты, в то время как другие трансформируются в другие области интересов. По мере того, как термоэлектрические технологии становятся все более популярным направлением, в повседневной жизни будет появляться много новых энергетических проектов. В следующие 3 года мы ожидаем серьезного прорыва в области термоэлектрической эффективности. Возможно, от 10% до 15% эффективности. Это будет достигнуто за счет использования каскадных модулей, которые уникальным образом используют различные температурные зоны и термически уложены параллельно.

Щелкните каждый заголовок ниже, чтобы открыть PDF:

TEG PROJECT CHIAPAS MEXICO, ПЛИТА THERMOSYPHON DESIGN

ГЕНЕРАТОР ТЕГООБРАБОТКИ ОТРАБОТАННЫХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДИТЕЛЯ БОЛЬШИХ ГАЗОВ 200 Вт

AIRTRONICS 4KW CHP (ЦЕНТРАЛЬНАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА) 80 Вт

МАСШТАБИРУЕМЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СИСТЕМА ТЕПЛА И ЭНЕРГИИ

ПОДАРОК ​​

Проект загорается http://www.ospreywoodlabs.com/ Мы работаем с Osprey Labs, неправительственной организацией, расположенной в Миссиссаге, Онтарио. Их миссия - обеспечить электричеством малообеспеченные семьи, уделяя особое внимание женщинам в деревнях Пакистана, Индии, Африки, Ближнего Востока и Южной Америки.

Ближайшее будущее

Tecteg Mfr. работа с Джейсоном Стюартом «The Firemaster» и его адаптером для дровяной печи с чистым горением, запатентованным изобретением в Новой Зеландии, и с Деральдом Куком, владельцем интенсивнофуерго в Чили, который также работает с нашей группой, которая разработала под ключ адаптер для дровяной печи с чистым горением. Система, позволяющая сделать старые печи не только более эффективными, но и более экологически чистыми, в будущей конструкции будет установлен термоэлектрический генератор энергии с горячей водой и распределенным нагревом, который будет вырабатывать примерно 100 Вт. ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии). Адаптер будет производить больше тепла от того же количества древесины, тем самым сокращая годовое потребление древесины.

Home

Intensifire с прозрачной стеклянной трубкой.

Мобильный телефон / Зарядка аккумулятора 12В от газового камина THERMOELECTRIC Generator

Для просмотра и заказа запчастей нажмите ИНТЕРНЕТ-МАГАЗИН

Для просмотра наших сайтов посетите www.tecteg.com

Продукты на основе эффекта Пельтье можно найти на сайте www.espressomilkcooler.com

Как работают термоэлектрики? - Power Practical

Строго говоря, термоэлектрические генераторы принимают разницу температур и превращают ее в электрическую энергию. Удивительно, но эти материалы можно использовать и в обратном направлении! Если вы включите термоэлектрический генератор, вы создадите разницу температур. В небольших мини-холодильниках, рассчитанных всего на несколько напитков, используются термоэлектрические генераторы для эффективного охлаждения нескольких напитков.

Чтобы понять, как термоэлектрики генерируют электричество из-за разницы температур, мы должны немного узнать о том, как электроны движутся в металле.Металлы являются хорошими проводниками, потому что электроны могут свободно перемещаться внутри них, как жидкость в трубе. Представьте, что у вас есть труба, полная воды, и вы поднимаете один конец, что происходит? Вода будет стекать по трубе от верхнего конца к нижнему. Это потому, что, когда вы поднимаете трубу, вы увеличиваете потенциальную энергию, и вода хочет течь вниз. В термоэлектрическом материале то же самое происходит с жидкообразными электронами, когда вы его нагреваете.

Нагрев одного конца термоэлектрического материала заставляет электроны перемещаться от горячего конца к холодному концу.Когда электроны переходят с горячей стороны на холодную, это вызывает электрический ток, который PowerPot использует для зарядки USB-устройств. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и, следовательно, больше энергии.

Сложность термоэлектрических генераторов заключается в том, что при нагревании горячей стороны нагревается и холодная сторона генератора. Для выработки энергии с помощью термоэлектрического генератора вам понадобится как источник тепла, так и способ рассеивания тепла, чтобы поддерживать разницу температур между термоэлектрическими материалами.Это делается без движущихся частей путем нагрева воды в PowerPot. Вода удерживает в несколько раз больше тепла, чем алюминий на фунт, поэтому из нее получается прекрасный радиатор. Кроме того, вода никогда не нагревается выше 212 F (100 C) при кипении, что эффективно ограничивает максимальную температуру «холодной» стороны термоэлектрического генератора. Поэтому в PowerPot всегда должно быть что-то водянистое, иначе термоэлектрический генератор может перегреться.

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

Предпосылки создания термоэлектриков

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

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

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

Что нужно помнить об эффекте Зеебека:

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

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

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

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

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

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

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

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

Научное руководство по пониманию и использованию мощности TEG!

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

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

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

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

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

Теперь о науке.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL)

• Адаптивные технологии обработки поверхностей - скользкие покрытия для преобразования энергии
• Alveo Energy - батарейки на основе прусского синего красителя
• Применяемые материалы - недорогие кремниевые пластины для солнечных модулей.
• Университет штата Аризона (ASU) - электрохимическое улавливание углерода
• Bio2Electric - Электрогенеративный газожидкостный реактор
• Университет Брауна - специализированные устройства для преобразования приливной энергии
• Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) - Повышение эффективности солнечной генерации с помощью солнечных модулей
• Университет Кейс Вестерн Резерв - полностью железная проточная батарея
• Ceramatec - Среднетемпературные топливные элементы для автомобилей
• Ceramatec - одностадийный химический преобразователь из газа в жидкость
• Университет штата Колорадо (CSU) - Дополнительные возможности для выращивания биоэнергетических культур
• Корнельский университет - эффективный фотобиореактор для топлива на основе водорослей
• Диоксидные материалы - преобразование CO2 в топливо и химические вещества
• Electron Energy Corporation (EEC) - Новая технология обработки постоянных магнитов
• eNova - Компрессор отработанного тепла
• Evolva - высокоэффективное авиационное топливо из терпенов.
• Институт газовых технологий (GTI) - Эффективная конверсия природного газа в метанол
• Глобальные исследования General Electric (GE) - газотрубные переключатели большой мощности
• General Electric (GE) Power & Water - лопасти ветряных турбин на тканевой основе
• Georgia Tech Research Corporation - Производство электроэнергии с использованием наземного воздуха, нагретого солнечными батареями
• Georgia Tech Research Corporation - Высокоэффективный реактор на солнечном топливе
• Georgia Tech Research Corporation - Суперконденсаторы на основе графена
• Glint Photonics - Фотогальваника с самонастраивающимся концентратором
• Grid Logic - сверхпроводники большой мощности
• Гарвардский университет - Батарея Organic Flow для хранения энергии
• HexaTech - полупроводники, улучшающие поток электроэнергии
• Integral Consulting - Измерение данных о волнах в реальном времени с помощью буя для океанических волн
• Массачусетский технологический институт (MIT) - масштабируемая маломощная система очистки воды.
• Устройства MicroLink - высокоэффективные солнечные элементы
• Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) - эффективные пластиковые солнечные элементы
• Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) - Солнечный термоэлектрический генератор
• Otherlab - Маленькие зеркала для башенных солнечных электростанций
• Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNNL) - Оптимизация передачи в реальном времени
• Исследовательский центр Пало-Альто (PARC) - инновационный производственный процесс для литий-ионных аккумуляторов
• Сенсорные системы растений (PSS) - лучшее сырье для биотоплива из свеклы
• Компания PolyPlus Battery - недорогие высокопроизводительные литий-серные батареи
• Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) - Эффективное преобразование природного газа
• Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) - камеры сгорания с двигателями с непрерывной детонацией
• RamGoss - высокопроизводительные транзисторы
• Политехнический институт Ренсселера (RPI) - мощный транзисторный переключатель
• Исследовательский институт треугольника (RTI) - Компактные недорогие преобразователи для природного газа
• Sharp Laboratories of America - хранение энергии на основе натрия
• Silicon Power - оптические переключатели для систем большой мощности
• Стэнфордский университет - радиационные охладители для крыш и автомобилей
• Исследовательская компания Tai-Yang (TYRC) - мощный и недорогой сверхпроводящий кабель.
• Teledyne Scientific & Imaging - проточная батарея на основе калия с высокой плотностью энергии
• Техасская инженерная экспериментальная станция (TEES) - Электроэнергия из низкотемпературных отходов тепла
• Исследовательский центр United Technologies (UTRC) - Аддитивное производство для двигателей электромобилей
• Калифорнийский университет в Беркли (Калифорнийский университет в Беркли) - разработчик быстрого моделирования энергопотребления - RAPMOD
• Калифорнийский университет в Беркли (Калифорнийский университет в Беркли) - Измерение изменения фазового угла в линиях электропередач.
• Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре) - повышенные конденсаторы
• Калифорнийский университет в Санта-Крус (Калифорнийский университет в Санта-Крус) - Эффективный сбор концентрированной солнечной энергии
• Университет Колорадо, Боулдер (CU-Boulder) - Маломасштабные реакторы для конверсии природного газа
• Университет Делавэра (UD) - Двухмембранная проточная батарея с большой емкостью
• Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн (UIUC) - Безопасность электросетей
• Университет Миннесоты (UMN) - Ультратонкие мембраны для производства биотоплива.
• Университет Невады, Лас-Вегас (UNLV) - огнестойкие твердые электролиты
• Центр энергетических и экологических исследований Университета Северной Дакоты (UND-EERC) - водосберегающее производство электроэнергии
• Питтсбургский университет - загустители CO2 для повышения нефтеотдачи и добычи газа.
• Университет Южной Калифорнии (USC) - Недорогая безметалловая проточная аккумуляторная батарея.
• Университет Теннесси (Юта) - высокопроизводительная биоинженерия просо просо
• Техасский университет в Остине (Юта Остин) - Smart Window Coatings
• Вашингтонский университет (UW) - Преобразование метана в дизельное топливо на основе микробов
• Университет Висконсин-Мэдисон (UW-Madison) - Превращение солнечного света, CO2 и воды в топливо
• Материалы Vorbeck - высокоэффективные и недорогие литий-серные батареи.
• Йельский университет - замкнутая система с использованием отработанного тепла для производства электроэнергии

Сбор термоэлектрической энергии | II-VI Incorporated

В то время, когда люди потребляют ресурсы Земли с максимальной скоростью, поиск альтернативных источников энергии - отличный способ помочь в создании устойчивой энергии. Устойчивое энергетическое решение, такое как сбор энергии, обеспечивает экологически чистый способ использования естественной энергии. Сбор энергии дает несколько преимуществ и стал проверенным решением для быстро истощающихся ресурсов нашей планеты.

Сбор энергии - это метод производства электроэнергии из обычно неиспользуемых источников энергии, имеющихся в окружающей среде. Это также называется сбором энергии или сбором энергии. Примеры источников энергии, которые можно собирать и преобразовывать в электрическую, включают радиоволны, солнечную энергию, кинетическую энергию, градиенты солености и градиенты температуры.Методы сбора энергии обеспечивают прекрасную альтернативу с низким энергопотреблением, заменяющую использование батарей во многих приложениях с низким энергопотреблением.

Сбор энергии может генерировать очень небольшое количество энергии. Это ограничивает его использование низкоэнергетической электроникой, такой как:

• Носимая электроника / модная техника
• Беспроводные сенсорные сети
• Датчики с длительным сроком службы малой мощности
• Приложения с низким энергопотреблением, которые обычно выходят за рамки возможностей типичной батареи.

Источники топлива, необходимые для работы устройств сбора энергии, легко доступны и бесплатны для сбора. Например, температурные градиенты создаются во время работы двигателя внутреннего сгорания; а телевидение и радиовещание создают электромагнитную энергию. Оба могут быть «очищены» для создания энергии.

Сбор энергии тогда и сейчас
Люди давно искали способы сбора энергии и, по сути, использовали колеса в качестве метода для этого еще с ранних римских времен.Исторически водяные колеса использовались для сбора кинетической энергии. Ручьи были перекрыты, чтобы собрать эту энергию, чтобы воспользоваться их текущими водами. Затем он был преобразован в механическую энергию, которая использовалась для работы механизмов и обработки шлифовальных камней в мельницах.

Сегодня тепло собирают с помощью больших колес, называемых колесами с рекуперацией тепла. Они очень похожи на своих предшественников как по размеру, так и по скорости вращения.

Поиск инновационных устройств для сбора энергии продолжается в попытке найти способ питания мобильных устройств и сенсорных сетей без использования батарей.

Температурные градиенты
Для сбора энергии с помощью температурных градиентов используются два метода - пироэлектрики и термоэлектрики (также называемые Пельтье). Применение пироэлектриков ограничено, поскольку требует изменения температуры на входе. Термоэлектрики превращают тепло в электричество, используя температурный градиент. Термоэлектрики чрезвычайно стабильны и могут обеспечивать бесперебойную работу в течение сотен тысяч часов. Однако термоэлектрики очень неэффективны и работают примерно на 10% фотоэлектрических элементов.

Термоэлектрическая энергия и сбор энергии
Разницу температур можно увидеть повсюду, как в естественной, так и в искусственной среде. Эти различия можно использовать для создания термоэлектрической энергии. Замечательно, что электричество можно производить, используя в противном случае потраченное впустую тепло. Термоэлектрические системы сбора урожая могут использоваться для преобразования тепловой энергии, содержащейся в потоке жидкости, в электричество. Вероятными источниками могут быть стоки с угольных и атомных электростанций.Также можно собирать отходящее тепло от солнечных тепловых и геотермальных электростанций. Можно использовать выхлопные газы от обычных бытовых приборов. Возможности безграничны. По данным Агентства по охране окружающей среды США, «разработка надежных, экономически жизнеспособных систем сбора термоэлектрической энергии сократит потребление ископаемого топлива за счет повышения общей эффективности энергопроизводящих и энергопотребляющих систем». Это, в свою очередь, обеспечит жизнеспособное решение проблемы, заключающейся в том, что большинство текущих ресурсов, используемых для производства электроэнергии, являются неустойчивыми.

Термоэлектрический эффект (ТЭ) - прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение. Его открытие почти 200 лет назад приписывают Томасу Иоганну Зеебеку. В термоэлектрическом устройстве напряжение возникает, когда разные температуры размещаются рядом. Таким же образом возникает разница температур при подаче напряжения. Благодаря его открытию способность материала или устройства генерировать напряжение на единицу температуры называется коэффициентом Зеебека.

В 1834 году Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил, что при пропускании электрического тока через пересечение двух разных проводников происходит нагрев или охлаждение. Направление потока определяло направление изменения температуры - вверх или вниз. Вырабатываемое или поглощаемое тепло зависит от электрического тока, а константа пропорциональности называется коэффициентом Пельтье.

Благодаря открытиям этих двух людей, нагреватели, охладители и генераторы (ТЭГ) были созданы с использованием термоэлектрических материалов.

Идеальных термоэлектрических материалов будет:

• Низкая теплопроводность
• Высокая электропроводность
• Высокий коэффициент Зеебека

Накопление и хранение собранной энергии
Текущие приложения имеют ограничения - они должны быть небольшими и потреблять очень мало энергии. Они также ограничены необходимостью использования заряда батареи. Чтобы преодолеть эти ограничения, становится необходимостью способность собирать, накапливать и хранить собранную энергию, что позволило бы интеллектуальным датчикам работать бесконечно долго.

Как правило, энергия хранится в батареях, конденсаторах или суперконденсаторах. Если приложение требует значительных всплесков энергии, используется конденсатор. Если необходим постоянный поток энергии, используется аккумулятор.

Будущее сбора энергии
Сбор энергии и возможность, которую он создает для использования компонентов непрерывно, вне сети и в течение продолжительных периодов времени, привлекают большое внимание как в коммерческих, так и в военных целях. Будущие приложения могут включать конструкции мощных устройств вывода для использования в удаленных местах.Кроме того, индустрия носимой электроники ищет способы создания устройств для сбора урожая, которые могут заряжать или приводить в действие оборудование радиосвязи, мобильные телефоны, мобильные компьютеры и многое другое. Возможность собирать энергию из разницы температур между днем ​​и ночью может однажды быть использована для питания наружных устройств. Одна из проблем, с которыми сталкиваются в таких приложениях, - это создание устройства, достаточно надежного, чтобы выдерживать длительное воздействие суровых условий. Их конструкции также должны включать возможность сбора энергии из нескольких источников окружающей энергии.

Термоэлектрическая энергия увлекательна и имеет большой потенциал для будущих приложений, больших и малых. Источники тепла имеются в большом количестве, и их можно легко удалить с помощью термоэлектрических генераторов (ТЭГ) для использования в этих приложениях. II-VI проложил путь к производству продуктов для сбора тепловой энергии для питания беспроводных датчиков и других микроустройств, тем самым устраняя необходимость в решениях с батарейным питанием. Серия EverGen от II-VI предлагает недорогое и не требующее обслуживания решение для технологии беспроводных датчиков.