Электричество из тепла: Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Содержание

Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор

https://ria.ru/20211007/spbpu-1753346709.html

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор — РИА Новости, 07.10.2021

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в… РИА Новости, 07.10.2021

2021-10-07T09:00

2021-10-07T09:00

2021-10-07T09:00

наука

технологии

санкт-петербург

санкт-петербургский политехнический университет петра великого

электричество

навигатор абитуриента

университетская наука

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/06/1753353969_0:63:1200:738_1920x0_80_0_0_059ccb1d5835f8e86acfa4b628183714.jpg

МОСКВА, 7 окт — РИА Новости. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в десятки раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Готовый продукт будет внедрен в производство к концу 2021 года.Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке будет иметь размеры 5×2 миллиметров), переводящее тепловую энергию в электрическую. Это крайне актуально в связи с мировым трендом на декарбонизацию. Генератор, разработанный исследователями СПбПУ, содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.»В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки)», — пояснила директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии») Ольга Квашенкина.По ее словам, в результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.Как сообщили РИА Новости в университете, научный коллектив завершил теоретическую часть работы, связанную с эффективностью устройства. Ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии. Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».При этом она отметила, что в бытовом плане устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и пр. «В перспективе мы будем стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов», — добавила она.По оценкам ученых, устройство отличается высоким КПД: для выработки тока для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей. Предполагается, что термоэлектрический генератор устанавливается около комнатной батареи или монтируется в систему отопления, и получаемая электроэнергия идет к электрической разводке, заряжая небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.Как планируют ученые, устройство будет финансово доступно для обычных потребителей. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным. В настоящее время ученые готовят два патента на изобретения. Проект реализован в рамках НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».

https://ria.ru/20210929/mifi-1752172905.html

санкт-петербург

россия

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/06/1753353969_67:0:1134:800_1920x0_80_0_0_c204583931479d5f946f44063d1edb34.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, санкт-петербург, санкт-петербургский политехнический университет петра великого, электричество, навигатор абитуриента, университетская наука, россия

МОСКВА, 7 окт — РИА Новости. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в десятки раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Готовый продукт будет внедрен в производство к концу 2021 года.

Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке будет иметь размеры 5×2 миллиметров), переводящее тепловую энергию в электрическую. Это крайне актуально в связи с мировым трендом на декарбонизацию. Генератор, разработанный исследователями СПбПУ, содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения

1 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения

2 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения

3 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

1 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

2 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

3 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

«В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки)», — пояснила директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии») Ольга Квашенкина.

По ее словам, в результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.

Как сообщили РИА Новости в университете, научный коллектив завершил теоретическую часть работы, связанную с эффективностью устройства. Ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии. Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».

«Использование термоэлектрического генератора актуально не только для бытовых нужд, но и для промышленности: например, устройство помещается на поверхность турбинного двигателя, который может нагреваться до полутора тысяч градусов, и это тепло, переходя в электрическую энергию, питает датчики, предназначенные для мониторинга состояния систем двигателя», — сообщила Ольга Квашенкина.

При этом она отметила, что в бытовом плане устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и пр. «В перспективе мы будем стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов», — добавила она.

По оценкам ученых, устройство отличается высоким КПД: для выработки тока для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей. Предполагается, что термоэлектрический генератор устанавливается около комнатной батареи или монтируется в систему отопления, и получаемая электроэнергия идет к электрической разводке, заряжая небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.

29 сентября 2021, 09:00НаукаРоссийские ученые создают виртуальный ядерный реактор

Как планируют ученые, устройство будет финансово доступно для обычных потребителей. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным. В настоящее время ученые готовят два патента на изобретения. Проект реализован в рамках НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».

Учёные нашли путь к высокоэффективному преобразованию тепла в электричество

Международная команда ученых синтезировала новый термоэлектрический сплав на основе железа, ванадия и сурьмы, удачно модифицировав его тяжелыми металлами. Сообщается, что эффективность преобразования тепла в электричество с использованием нового сплава выросла более чем в два раза при комнатной температуре и намного больше при высоких температурах. Для утилизации мусорного тепла могут открыться новые горизонты.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Тепла вокруг в избытке, если учесть, что в подавляющем большинстве случаев оно просто улетучивается в атмосферу. Исследователи давно пытаются найти эффективный способ добычи электричества от улавливания тепловой энергии, но она пока колеблется в диапазоне до 10 % и то при очень высоких температурах. В новом исследовании учёные изучали модификацию так называемого половинного сплава Гейслера, в котором три элемента — железо, ванадий и сурьму — дополнительно легировали тяжёлыми металлами гафнием, титаном и ниобием.

Эффективность термоэлектрика в целом зависит от трёх физико-химических характеристик сплавов: от фактора мощности, электро- и теплопроводности. Чем выше фактор мощности и электропроводность, и ниже теплопроводность, тем лучше и эффективнее материал. Но добиться оптимального баланса непросто.

«Ученые из НИТУ «МИСиС», Университета Сохаг, Университета имени Короля Сауда и МГУ им. М.В. Ломоносова предложили метод снижения теплопроводности таких сплавов путем тройного легирования матрицы тяжёлыми металлами, такими как гафний, титан и ниобий. В ходе исследования опытные сплавы были синтезированы путем плавления с последующим размолом и спеканием. Термоэлектрические свойства полученных образцов затем были исследованы при температурах от 27 до 527 ℃»,

— сообщается в пресс-релизе НИТУ «МИСиС».

Изучение образцов показало, что легирование настолько снизило теплопроводность сплава, что эффективность преобразования тепла в электричество при комнатной температуре подскочила в два раза. Это может оказаться верным путём к появлению коммерческих образцов термоэлектрических преобразователей. В любом случае исследователи показали перспективное для отрасли направление и оно достойно пристального внимания со стороны промышленности.

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

Создан материал, превращающий тепло в электричество с рекордной эффективностью

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

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

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

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

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

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

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

Тепло, электричество и холод от одного энергогенератора — Энергетика и промышленность России — № 18 (158) сентябрь 2010 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 18 (158) сентябрь 2010 года

Комбинированная технология тройного действия

В общем случае, система тригенерации представляет собой систему комбинированного производства тепла и электроэнергии, соединенную с одним или несколькими холодильными агрегатами.

Тепловая часть тригенерационной установки в своей основе имеет парогенератор с рекуперацией тепла, питание которого осуществляется за счет использования выхлопных газов первичного двигателя. Первичный двигатель, соединенный с генератором переменного тока, обеспечивает производство электрической энергии. Для охлаждения используется периодически возникающий избыток тепла.

Холодильные агрегаты адсорбционного типа, используемые для кондиционирования помещений и создания требуемой температуры в помещении. В качестве рабочей жидкости в холодильных машинах такого типа используется вода (рабочая жидкость, охлажденная в адсорбционной машине, применяется не только в системе кондиционирования объекта, но и может расходоваться на технологические нужды).

Применение тригенерации

активно применяется в экономике, в частности в пищевой промышленности, где существует потребность в холодной воде для использования ее в технологических процессах. Например, в летний период пивоварни используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта. На животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока. Производители замороженной продукции круглогодично работают с низкими температурами.

Технология тригенерации дает возможность преобразовывать в холод до 80% тепловой мощности когенерационной установки, что значительно увеличивает суммарный КПД когенерационной установки и повышает коэффициент ее мощностных ресурсов.

Тригенерационная установка может быть использована круглогодично, вне зависимости от сезона. Утилизированное тепло при тригенерации эффективно используется зимой для отопления, летом для кондиционирования помещений и для технологических нужд.

Особенно эффективно применение тригенерации в летний период, при образовании избытка тепла, вырабатываемого мини-ТЭЦ. Избыточное тепло направляется в адсорбционную машину для выработки охлажденной воды, используемой в системе кондиционирования. Данная технология позволяет экономить энергию, которая обычно потребляется системой принудительного охлаждения. В зимний период адсорбционная машина может быть отключена, если отсутствует необходимость в большом количестве охлажденной воды.

Таким образом, тригенерационная система позволяет на 100% использовать тепло, вырабатываемое мини-ТЭЦ.

Энергетическая эффективность и высокая экономичность

Оптимизация потребления энергии — важная задача, не только с точки зрения экономии энергоресурсов, но и с точки зрения экологии. На сегодняшний день энергосбережение является одной из наиболее актуальных проблем во всем мире. При этом большинство современных технологий производства тепла приводят к высокой степени загрязнения атмосферы.

Тригенерация, при которой происходит комбинированное производство электрической, тепловой и холодильной энергии, является сегодня одной из наиболее эффективных технологий повышения энергетической эффективности и экологической безопасности мини-ТЭЦ.

Экономия энергоресурсов при использовании тригенерационных технологий достигает 60%.

Плюсы и минусы

По сравнению с традиционными технологиями охлаждения тригенерационная система имеет следующие преимущества:

  • Тепло является источником энергии, что позволяет использовать избыточную тепловую энергию, которая обладает очень низкой себестоимостью;
  • Произведенная электрическая энергия может быть подана в общую электросеть или использоваться для обеспечения собственных нужд;
  • Тепло может быть использовано для обеспечения потребностей в тепловой энергии во время отопительного сезона;
  • Требуют минимальных расходов на техобслуживание в связи с отсутствием в адсорбционных холодильных установках подвижных деталей, которые могли бы подвергаться износу;
  • Бесшумная работа адсорбционной системы;
  • Низкие эксплуатационные расходы и низкие затраты в течение всего срока службы;
  • В качестве хладагента используется вода вместо веществ, разрушающих озоновый слой.

Адсорбционная система проста и надежна в использовании. Энергопотребление адсорбционной машины невелико, поскольку нет жидкостного насоса.

Однако у такой системы имеется и ряд недостатков: большие габариты и вес, а также относительно высокая стоимость, связанная с тем, что на сегодняшний день выпуском адсорбционных машин занимается ограниченное число производителей.

«ЭЛСО Энергогазмонтаж» — инновационные решения в области энергоснабжения

«ЭЛСО Энергогазмонтаж» (ЭГМ) предлагает комплексные решения энергосбережения, разрабатывает стратегии энергообеспечения объекта на самых ранних этапах осуществления инвестиционных проектов.

«ЭЛСО ЭГМ» — проектно-монтажная компания теплотехнического холдинга «ЭЛСО группа», занимается энергоснабжением промышленных и социальных объектов, осуществляет весь комплекс работ — от проектирования до введения объектов в эксплуатацию.

Компания «ЭЛСО ЭГМ» предлагает оптимальные современные решения, активно внедряя проверенные новые технологии. Специалисты «ЭЛСО ЭГМ» имеют значительный опыт внедрения инновационных решений с использованием когенерационных и тригенерационных технологий.

Высокий профессионализм инженерного состава и разработка уникальных проектных решений позволяют специалистам компании решать задачи любой сложности по теплоснабжению любых объектов.

По вопросам проектирования и монтажа тригенерационных теплоэлектростанций обращайтесь в компанию по телефону: (812) 329-55-22 или электронной почте

Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество

Георгий Голованов

Материал нового типа, созданный австрийскими учеными, использует разницу температур для выработки электрического тока. Изобретение открывает дорогу к изготовлению энергонезависимых сенсоров и даже небольших процессоров.

19

Термоэлектрические материалы превращают тепло в электроэнергию в результате эффекта Зеебека: если между двумя концами такого материала есть разница в температуре, возникает электрическое напряжение. Объем электрической энергии, которая вырабатывается таким образом, измеряется в показатели добротности, или ZT: чем он выше, тем лучше термоэлектрические свойства, пишет Phys.org.

«Хороший термоэлектрический материал должен в достаточной мере демонстрировать эффект Зеебека и отвечать двум важным требованиям, которые сложно примирить в одном материале, — объяснил профессор Эрнст Бауэр. — С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой — он должен проводить тепло как можно хуже. Это непросто, поскольку электро- и теплопроводность обычно идут рука об руку».

До сих пор наивысшим показателем ZT было значение около 2,5 — 2,8. Ученые из Технического университета Вены разработали совершенно новый материал с добротностью 5-6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия на кристалле кремния.

Новый материал оказался настолько эффективным, что его можно использовать для питания сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров, то есть он идеально подходит для устройств интернета вещей. Такая «батарейка» сделает их дешевле и компактнее, ведь дополнительных аккумуляторов или подвода питания не нужно — они сами будут генерировать достаточно электроэнергии за счет разницы температур.

Специалисты MIT решили проблему замены батареек в сенсорах на морском дне. Передатчик на поверхности посылает акустические волны, заставляя вибрировать пьезоэлектрический материал внутри сенсора. В результате колебаний возникает электрический ток, с помощью которого сенсор отражает модифицированный акустический сигнал обратно в приемник.

FacebookВконтакте19WhatsAppTelegram


Устройство превращает бесполезное тепло в электричество | Блоги

Энергетические системы, которые питают нашу жизнь, также производят тепло впустую — например, тепло, излучаемое трубами горячей воды в зданиях и выхлопными трубами автомобилей. По словам ученых из штата Пенсильвания и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, новый гибкий термоэлектрический генератор может оборачиваться вокруг труб и других горячих поверхностей и преобразовывать отработанное тепло в электричество более эффективно, чем это было возможно ранее.

«Большое количество тепла от энергии, которую мы потребляем, по сути, выбрасывается, часто рассеивается прямо в атмосферу, — сказал Шашанк Прия (Shashank Priya), заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. — У нас не было экономически эффективных способов с конформными формами улавливать и преобразовывать это тепло в полезную энергию. Это исследование открывает эту дверь».

Ученые из штата Пенсильвания работают над улучшением характеристик термоэлектрических генераторов — устройств, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество. По словам исследователей, когда устройства размещаются рядом с источником тепла, электроны, движущиеся от горячей стороны к холодной, создают электрический ток.

В предыдущей работе команда создала жесткие устройства, которые были более эффективными, чем коммерческие устройства, в высокотемпературных приложениях. По словам ученых, теперь команда разработала новый производственный процесс для производства гибких устройств, обеспечивающих более высокую выходную мощность и эффективность.

«Эти результаты открывают многообещающий путь к широкому использованию термоэлектрической технологии в приложениях для рекуперации отработанного тепла, — сказал Веньджи Ли (Wenjie Li), доцент-исследователь из Университета штата Пенсильвания. — Это может оказать значительное влияние на разработку практических генераторов тепла в электричество».

По словам ученых, гибкие устройства лучше подходят для наиболее привлекательных источников отработанного тепла, таких как трубы в промышленных и жилых зданиях и на транспортных средствах. И их не нужно приклеивать к поверхностям, как традиционные жесткие устройства, что еще больше снижает эффективность.

В ходе испытаний новое устройство продемонстрировало на 150% более высокую удельную мощность, чем другие современные устройства, сообщили ученые в Applied Materials & Interfaces. Увеличенная версия, площадью чуть более 3 квадратных дюймов, сохраняла преимущество в удельной мощности на 115%. По словам ученых, эта версия продемонстрировала общую выходную мощность 56,6 Вт при размещении на горячей поверхности.

«Подумайте о промышленной электростанции с трубами длиной в сотни футов, — сказал Прия. — Если вы сможете обернуть эти устройства вокруг такой большой площади, вы сможете генерировать киловатты энергии из потраченного впустую тепла, которое обычно просто выбрасывается. Вы можете преобразовать сбрасываемое тепло во что-то полезное».

При создании нового устройства ученые разместили шесть пар вдоль тонкой полоски. Затем они использовали гибкую металлическую фольгу, чтобы соединить 12 полос вместе, создав устройство с 72 парами. По словам ученого, между слоями каждой полоски был использован жидкий металл для повышения производительности устройства.

«По мере масштабирования этих устройств вы часто теряете удельную мощность, что затрудняет изготовление крупногабаритных термоэлектрических генераторов, — сказал Бед Пудель (Bed Poudel), доцент-исследователь из Университета штата Пенсильвания. — Это иллюстрирует исключительную производительность нашего устройства с 72 парами».

По словам ученых, устройство с 72 парами показало самую высокую выходную мощность и удельную мощность устройства из одного термоэлектрического генератора.

Промежутки между полосами обеспечивают гибкость, чтобы соответствовать формам, таким как трубы. По словам ученых, зазоры также позволяют гибко изменять коэффициент заполнения или соотношение между площадью термоэлектрического материала и площадью устройства, что можно использовать для оптимизации термоэлектрических устройств для различных источников тепла.

Де і як компаніям необхідно укріпити свій захист

Превращение тепла в электричество | Новости Массачусетского технологического института

Что, если бы ваш кондиционер работал не на обычном электричестве, а на солнечном тепле в теплый летний день? Благодаря достижениям в области термоэлектрических технологий это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства сделаны из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество, не требуя никаких движущихся частей — качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества.Это явление обратимо: если к термоэлектрическому устройству подать электричество, оно может создать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервные батареи на космических зондах и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут улавливать тепло, производимое как побочный продукт промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло впустую в электричество.Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которое они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили способ увеличить эту эффективность в три раза, используя «топологические» материалы, обладающие уникальными электронными свойствами. В то время как в предыдущих работах предполагалось, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи Массачусетского технологического института определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурного материала таким образом, что топологические материалы станут хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», — говорит Те-Хуан Лю, постдоктор кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. .«В конце концов, это может быть способ чистой энергии, который поможет нам использовать источник тепла для выработки электроэнергии, что уменьшит выброс углекислого газа».

Лю является первым автором статьи PNAS , в которой участвуют аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичень Сун; Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Биденхарна; и Ган Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободно пройденный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию градиента температуры, например, один конец нагревается, а другой охлаждается, электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному, генерируя электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и тем больше вырабатывается энергии. Количество энергии, которое может быть генерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования, метода, который ученые используют для синтеза материала путем формирования его характеристик в масштабе нанометров. Ученые считают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью их наноструктур. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также обладают особыми свойствами, которые имитируют класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Исследовательская группа стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова, моделируя движение электронов через материал.Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средний свободный пробег», или среднее расстояние, которое электрон с данной энергией мог бы свободно пройти в материале, прежде чем он был бы рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый из которых имеет границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию рассеиваться различными путями.Электроны с длинной длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетящие от стены, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега подвержены гораздо меньшему воздействию.

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

Затем команда рассмотрела, как эти свойства электронов влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, по существу суммируя термоэлектрические вклады электронов с разными энергиями и длинами свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов в условиях температурного градиента во многом зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности потенциалов и, следовательно, электрического тока. Эти низкоэнергетические электроны также имеют большую длину свободного пробега, а это означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны с более высокой энергией.

Уменьшение размеров

Сделав еще один шаг вперед в своих симуляциях, команда поиграла с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы увидеть, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте.Они обнаружили, что когда они уменьшали диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть при меньших размерах зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткую длину свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются на границах зерен. Это приводит к большей разности напряжений, которая может быть сгенерирована.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерен теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал, произведенный с более крупными зернами.

Лю говорит, что, хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут добиться аналогичных результатов, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерна с помощью метода наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер должен быть намного больше 10 нанометров.

«В ходе нашего моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем считалось ранее, и на основе этой концепции мы можем повысить его эффективность», — говорит Лю.

Теллурид олова — лишь один из многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. По словам Лю, если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я думаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих приложений», — говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Твердотельным центром преобразования солнечной тепловой энергии, Центром передовых исследований в области энергетики Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Дешевый материал преобразует тепло в электричество | Наука

Так называемые термоэлектрические генераторы превращают отработанное тепло в электричество, не производя выбросов парниковых газов, обеспечивая то, что кажется бесплатным обедом. Но, несмотря на то, что они помогают питать марсоходы, высокая стоимость этих устройств препятствует их широкому использованию.Теперь исследователи нашли способ производить дешевые термоэлектрики, которые работают так же хорошо, как и дорогие. Работа может проложить путь к новому поколению экологически чистых автомобильных двигателей, промышленных печей и других устройств, вырабатывающих энергию.

«Похоже, это очень разумный способ добиться высокой производительности, — говорит Ли-Дун Чжао, материаловед из Бэйханского университета, не участвовавший в этой работе. Он отмечает, что предстоит сделать еще несколько шагов, прежде чем эти материалы смогут стать высокопроизводительными термоэлектрическими генераторами.Однако он говорит: «Я думаю, что это будет использоваться в недалеком будущем».

Термоэлектрики — это полупроводниковые устройства, помещаемые на горячую поверхность, например автомобильный двигатель, работающий на газу. Это дает им горячую сторону и холодную сторону, вдали от горячей поверхности. Они работают, используя тепло для передачи электрических зарядов от одного к другому. Если устройство позволяет горячей стороне нагревать холодную сторону, электричество перестает течь. Успех устройства в предотвращении этого, а также его способность проводить электроны учитываются в оценке, известной как показатель качества или ZT.

 За последние 2 десятилетия исследователи произвели термоэлектрические материалы с увеличивающимся ZT. Рекорд был установлен в 2014 году, когда Меркури Канатзидис, материаловед из Северо-Западного университета, и его коллеги создали монокристалл селенида олова с ZT 3,1. Тем не менее, материал был трудным в изготовлении и слишком хрупким для работы. «Для практического применения это бесполезно», — говорит Канатзидис.

Итак, его команда решила сделать свои термоэлектрики из легкодоступных порошков олова и селена, которые после обработки образуют зерна поликристаллического селенида олова вместо монокристаллов.Поликристаллические зерна дешевы, их можно нагреть и спрессовать в слитки длиной от 3 до 5 сантиметров, из которых можно сделать устройства. Поликристаллические слитки также более прочны, и Канатзидис ожидал, что границы между отдельными зернами замедлят прохождение тепла. Но когда его команда протестировала поликристаллические материалы, их теплопроводность резко возросла, и показатель ZT упал до 1,2.

В 2016 году команда Northwestern обнаружила источник проблемы: вокруг отдельных зерен поликристаллического селенида олова образовывалась ультратонкая пленка оксида олова, прежде чем они были спрессованы в слитки.И эта кожа действовала как экспресс-маршрут, по которому тепло передавалось от зерна к зерну через материал. Итак, в своем текущем исследовании Канатзидис и его коллеги придумали способ использовать тепло для удаления любого кислорода из порошкообразных предшественников, оставляя нетронутый поликристаллический селенид олова.

Результат, о котором они сообщили сегодня в Nature Materials , не только показал теплопроводность ниже, чем у монокристаллического селенида олова, но и ZT 3,1. «Это открывает двери для создания новых устройств из гранул поликристаллического селенида олова и изучения их применения», — говорит Канатзидис.

Чтобы пройти через эту дверь, потребуется некоторое время. Поликристаллический селенид олова, который производит команда, содержит атомы натрия, создавая так называемый материал «p-типа», проводящий положительные заряды. Чтобы сделать работающие устройства, исследователям также нужна версия «n-типа» для проведения отрицательных зарядов.

Команда Чжао недавно сообщила о создании монокристаллического селенида олова n-типа путем добавления в него атомов брома. И Канатзидис говорит, что его команда сейчас работает над созданием поликристаллической версии n-типа.Как только устройства с селенидом олова n-типа и p-типа будут объединены, у исследователей должен появиться четкий путь к созданию сверхэффективных термоэлектрических генераторов нового поколения. Они могут быть установлены везде, от выхлопных труб автомобилей до водонагревателей и промышленных печей, чтобы утилизировать часть из 65% энергии ископаемого топлива, которая превращается в отработанное тепло.

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

проф.Эрнст Бауэр в лаборатории. 1 кредит

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток за счет разницы температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам снабжать себя энергией без проводов.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если есть разница температур между двумя концами такого материала, может генерироваться электрическое напряжение и может начать течь ток.Количество электрической энергии, которое может быть выработано при данной разности температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие на сегодняшний день термоэлектрики были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученым из TU Wien (Вена) удалось разработать совершенно новый материал со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли бы генерировать собственное электричество за счет разницы температур. Новый материал теперь представлен в журнале Nature .

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен удовлетворять двум важным требованиям, которые трудно согласовать», — говорит проф.Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела Технического университета Вены. «С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, с другой стороны, он должен как можно хуже проводить тепло. Это сложная задача, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Христианской доплеровской лаборатории термоэлектричества, которую Эрнст Бауэр основал в Техническом университете Вены в 2013 году, в течение последних нескольких лет изучались различные термоэлектрические материалы для различных применений.Это исследование привело к открытию особенно замечательного материала — комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно располагаются строго по регулярной схеме в так называемой гранецентрированной кубической решетке», — говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же верно и для других типов атомов.Таким образом, весь кристалл полностью правильный».

Однако при нанесении на кремний тонкого слоя материала происходит нечто удивительное: структура радикально меняется. Хотя атомы по-прежнему образуют кубическую структуру, теперь они располагаются в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. «Два атома железа могут располагаться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует какого-либо правила, определяющего, где в кристалле должен находиться следующий атом железа», — объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и неправильности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле. «Электрический заряд проходит через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля», — говорит Эрнст Бауэр. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

Колебания решетки, с другой стороны, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются неоднородностями кристаллической структуры.Следовательно, теплопроводность снижается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно генерироваться из разницы температур, потому что, если бы разница температур могла очень быстро уравновешиваться и весь материал вскоре имел бы везде одинаковую температуру, термоэлектрический эффект остановился бы.

Электричество для Интернета вещей

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но его преимущество заключается в том, что он чрезвычайно компактен и легко адаптируется», — говорит Эрнст Бауэр.«Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных приложений». Спрос на такие малогабаритные генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств связываются вместе онлайн, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамично реагировать на другую.

«Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не сможете соединить их все вместе.Для датчиков гораздо разумнее иметь возможность генерировать собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства», — говорит Бауэр.


Как заморозить теплопроводность
Дополнительная информация: Б. Хинтерлейтнер и соавт.Термоэлектрические характеристики метастабильного тонкопленочного сплава Гейслера, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1751-9 Предоставлено Венский технологический университет

Цитата : Новый материал бьет мировой рекорд по превращению тепла в электричество (2019, 14 ноября) получено 1 апреля 2022 г. с https://физ.org/news/2019-11-material-world-electricity.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Новый подход находит материалы, которые могут превращать отработанное тепло в электричество

Необходимость перехода на чистую энергию очевидна, безотлагательна и неизбежна.Мы должны ограничить рост температуры Земли в пределах 1,5 °C, чтобы избежать наихудших последствий изменения климата — особенно сложной задачи в условиях неуклонно растущего глобального спроса на энергию.

Частично ответ заключается в более эффективном использовании энергии. Более 72 процентов всей производимой в мире энергии теряется в виде тепла. Например, двигатель автомобиля использует только около 30% бензина, который он сжигает, для движения автомобиля. Остальное рассеивается в виде тепла.

Восстановление хотя бы малой части потерянной энергии окажет огромное влияние на изменение климата.В этом могут помочь термоэлектрические материалы, которые преобразуют израсходованное тепло в полезное электричество.

До недавнего времени идентификация этих материалов шла медленно. Мои коллеги и я использовали квантовые вычисления — подход к компьютерному моделированию для прогнозирования свойств материалов — чтобы ускорить этот процесс и определить более 500 термоэлектрических материалов, которые могут преобразовывать избыточное тепло в электричество и способствовать повышению энергоэффективности.

Большой шаг вперед к широкому применению

Преобразование тепла в электрическую энергию термоэлектрическими материалами основано на «эффекте Зеебека».В 1826 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек заметил, что воздействие на концы соединенных кусков разнородных металлов различных температур создает магнитное поле, которое, как позже выяснилось, вызывается электрическим током.

Вскоре после его открытия были изготовлены металлические термоэлектрические генераторы для преобразования тепла газовых горелок в электрический ток. Но, как оказалось, металлы проявляют лишь низкий эффект Зеебека — они не очень эффективно преобразовывают тепло в электричество.

Керосиновая радиостанция предназначалась для сельской местности и питалась от висевшей над ней керосиновой лампы. Пламя создавало разницу температур между металлами для генерации электрического тока. («Популярная наука», выпуск 6, 1956 г.)

В 1929 году русский ученый Авраам Иоффе произвел революцию в области термоэлектричества. Он заметил, что полупроводники — материалы, чья способность проводить электричество находится между металлами (например, медью) и изоляторами (например, стеклом) — проявляют значительно более высокий эффект Зеебека, чем металлы, повышая термоэлектрическую эффективность в 40 раз, начиная с 0.от 1% до 4%.

Это открытие привело к разработке первого широко используемого термоэлектрического генератора, русской лампы — керосиновой лампы, которая нагревала термоэлектрический материал для питания радиоприемника.

Мы уже там?

Сегодня термоэлектрические применения варьируются от производства энергии в космических зондах до охлаждающих устройств в портативных холодильниках. Например, космические исследования осуществляются с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов, преобразующих тепло естественно распадающегося плутония в электричество.Например, в фильме « Марсианин, » ящик с плутонием спас жизнь персонажу, которого играет Мэтт Дэймон, согревая его на Марсе.

В фильме 2015 года « Марсианин » астронавт Марк Уотни (Мэтт Дэймон) выкапывает закопанный термоэлектрический генератор, чтобы использовать источник энергии в качестве обогревателя.

Несмотря на такое огромное разнообразие применений, широкомасштабная коммерциализация термоэлектрических материалов по-прежнему ограничена их низкой эффективностью.

Что их сдерживает? Необходимо учитывать два ключевых фактора: токопроводящие свойства материалов и их способность выдерживать перепад температур, позволяющий вырабатывать электроэнергию.

Лучший термоэлектрический материал должен иметь электронные свойства полупроводников и плохую теплопроводность стекла. Но это уникальное сочетание свойств не встречается в природных материалах. Мы должны спроектировать их.

Поиск иголки в стоге сена

За последнее десятилетие появились новые стратегии создания термоэлектрических материалов благодаря более глубокому пониманию лежащей в их основе физики.В недавнем исследовании Nature Materials исследователи из Сеульского национального университета, Аахенского университета и Северо-Западного университета сообщили, что они разработали материал, называемый селенидом олова, с самыми высокими на сегодняшний день термоэлектрическими характеристиками, почти в два раза выше, чем 20 лет назад. Но им потребовалось почти десятилетие, чтобы оптимизировать его.

Чтобы ускорить процесс открытия, мы с коллегами использовали квантовые вычисления для поиска новых термоэлектрических кандидатов с высокой эффективностью.Мы просмотрели базу данных, содержащую тысячи материалов, чтобы найти те из них, которые обладали бы высокими электронными свойствами и низким уровнем теплопроводности, исходя из их химических и физических свойств. Эти идеи помогли нам найти лучшие материалы для синтеза и тестирования, а также рассчитать их термоэлектрическую эффективность.


Подробнее: Исследователи изобретают устройство, которое генерирует свет холодного ночного неба — вот что это значит для миллионов людей, живущих вне сети


Мы почти подошли к тому моменту, когда можно будет широко применять термоэлектрические материалы, но сначала нам нужно разработать гораздо более эффективные материалы.С таким количеством возможностей и переменных найти путь вперед все равно, что искать крошечную иголку в огромном стоге сена.

Точно так же, как металлоискатель может обнаружить иголку в стоге сена, квантовые вычисления могут ускорить открытие эффективных термоэлектрических материалов. Такие расчеты могут точно предсказать электро- и теплопроводность (включая эффект Зеебека) для тысяч материалов и выявить ранее скрытые и очень сложные взаимодействия между этими свойствами, которые могут влиять на эффективность материала.

Для крупномасштабных применений потребуются недорогие, нетоксичные и имеющиеся в изобилии электроэлектрические материалы. Свинец и теллур используются в современных термоэлектрических материалах, но их стоимость и негативное воздействие на окружающую среду делают их хорошими объектами для замены.

Квантовые расчеты могут применяться для поиска конкретных наборов материалов с использованием таких параметров, как редкость, стоимость и эффективность. Хотя эти расчеты могут выявить оптимальные термоэлектрические материалы, синтез материалов с желаемыми свойствами остается сложной задачей.

Многопрофильная работа с участием государственных лабораторий и университетов в США, Канаде и Европе выявила более 500 ранее неисследованных материалов с высокой прогнозируемой термоэлектрической эффективностью. Мои коллеги и я в настоящее время изучаем термоэлектрические характеристики этих материалов в экспериментах и ​​уже обнаружили новые источники высокой термоэлектрической эффективности.

Эти первоначальные результаты убедительно свидетельствуют о том, что дальнейшие квантовые вычисления могут точно определить наиболее эффективные комбинации материалов для получения чистой энергии из растрачиваемого тепла и предотвращения катастрофы, которая нависла над нашей планетой.

Новый «золотой стандарт» соединения для производства электроэнергии из тепла

Термоэлектрические генераторы, вырабатывающие электроэнергию из отработанного тепла, были бы полезным инструментом для сокращения выбросов парниковых газов, если бы не одна досадная проблема: необходимость замыкать электрические контакты на их горячую сторону, которая часто слишком горячая для человека. материалов, способных генерировать ток.

Тепло приводит к тому, что устройства со временем выходят из строя.

Устройства, известные как поперечные термоэлектрики, позволяют избежать этой проблемы, создавая ток, который течет перпендикулярно проводящему устройству, требуя контактов только на холодном конце генератора.Несмотря на то, что они считаются многообещающей технологией, материалы, которые, как известно, создают это боковое напряжение, практически неэффективны — по крайней мере, так думали ученые.

Исследователи Университета штата Огайо в новом исследовании показывают, что единый материал, слоистый кристалл, состоящий из элементов рения и кремния, оказывается золотым стандартом поперечных термоэлектрических устройств.

Ученые продемонстрировали, что это единственное соединение действует как высокоэффективный термоэлектрический генератор из-за редкого свойства: одновременно нести как положительные, так и отрицательные заряды, которые могут двигаться независимо, а не параллельно друг другу, что заставляет их двигаться зигзагами. к контактам, чтобы генерировать электрический ток.

Создав термоэлектрический генератор с кристаллом длиной около двух дюймов, исследователи также определили, что, когда кристалл расположен в устройстве под определенным углом, он может производить впечатляющее количество энергии.

«Мы показали, что эти материалы так же эффективны, как и обычная технология термоэлектрических генераторов, но преодолевают ее основные недостатки», — сказал соавтор исследования Джошуа Голдбергер, профессор химии и биохимии в штате Огайо.

«Впервые было показано, что такое устройство возможно.С эффективностью, которая на несколько порядков выше, чем у любого предыдущего поперечного устройства, это соединение так же хорошо, как и то, что вы можете купить в продаже, но обещает быть намного проще и надежнее».

Исследование опубликовано онлайн в журнале Energy & Environmental Science .

В то время как 97% энергии генерируется из тепла, мы отбрасываем большую часть тепла, позволяя ему выходить из дымовых труб, выхлопных труб автомобилей и т.п.

«Отвод тепла очень важен.Во все времена было стремление повысить эффективность всех двигателей, которые производят энергию из тепла — количество работы, которую вы можете получить от них, которую вы можете использовать», — сказал соавтор исследования Джозеф Хереманс, профессор механики и аэрокосмической промышленности. инженерии и выдающийся ученый в области нанотехнологий штата Огайо из штата Огайо.

«В течение долгого времени мы мечтали найти маленькие двигатели, в которых не было бы движущихся частей, способных отводить тепло и производить электричество».

И вот они.

Большинство материалов проводят только один тип заряда, в результате чего большинство термоэлектрических устройств состоят из нескольких соединений, однако сложность установления контактов с ними препятствует усилиям по созданию эффективного и действенного термоэлектрического генератора, который легко сконструировать и который может выдерживать высокие нагрузки. температуры.

Два года назад эта исследовательская группа обнаружила неожиданные свойства в другом соединении, которое позволяло электронам и дыркам, источникам отрицательного и положительного заряда, соответственно, генерирующим электрический ток, двигаться по тому, что может напоминать шоссе с севера на юг. за одну плату и шоссе восток-запад за другую.

После этого открытия исследователи прочесали существующие исследования других кристаллов, которые, как было обнаружено другими учеными, делают то же самое.

«Нас это заинтересовало, потому что сначала мы не знали, что это может существовать. Когда мы поняли, что он может существовать, мы действительно стремились найти эти материалы», — сказал Голдбергер. На сегодняшний день они экспериментально подтвердили 15 материалов с такими свойствами — из более чем 110 000 кристаллических структур, обнаруженных и каталогизированных в международной базе данных.

«Было обнаружено несколько, но ни одна из них не использовалась для обеспечения функциональности. Мы обнаружили, что на самом деле можем что-то с этим сделать», — сказал Вольфганг Виндл, профессор материаловедения и инженерии в штате Огайо и соавтор исследования.

«Все, что нам нужно сделать, это соединить провода с одного конца и сориентировать кристалл определенным образом, и вдруг мы получим генератор энергии без движущихся частей. И вы согреваете его любым отработанным теплом, которое есть у вас дома, в машине или на ракете, и это само по себе будет генерировать безэмиссионную энергию и практически бесконечно. Для меня это немного похоже на черную магию».

Теоретически генератор, изготовленный из этого соединения, можно было бы использовать в любом месте, где вырабатывается тепло — размер кристалла может быть разным, и в этом исследовании он определялся размером печи, в которой он был выращен.

Хереманс сказал, что генератор может производить достаточно электроэнергии из выхлопных газов автомобиля, чтобы двигаться вперед, но он поддерживает идею использования этой технологии в меньших масштабах: слишком дорого», — сказал он. «Вот где простое решение, подобное этому, вероятно, лучше всего».

Эта работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС, Министерством энергетики США и Национальным научным фондом Emerging Frontiers in Research and Innovation.Рост кристаллов был поддержан платформой Национального научного фонда для ускоренной реализации, анализа и открытия интерфейсных материалов (PARADIM).

Соавторами являются Майкл Скаддер, Бин Хе (сейчас работает в Институте Макса Планка) и Яксиан Ван (сейчас работает в Гарвардском университете) из штата Огайо, а также Акаш Рай и Дэвид Кэхилл из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.

Ученые нашли лучший способ превратить тепло в электричество, изменив стандартное правило

Инженеры обычно считают тепло «отходами энергии», поскольку его трудно эффективно превратить во что-то полезное.Однако новый класс термоэлектрических материалов может изменить это после того, как исследователи решили попробовать прямо противоположный обычному подход. Статья в Science Advances объясняет почему, ускоряя поиск еще лучших версий.

Как следует из названия, термоэлектрические материалы превращают тепло в электричество, минуя стадию кипячения воды, используемую в большинстве случаев массового производства электроэнергии. Однако из-за стоимости и неэффективности термоэлектрические генераторы ограничены нишевыми приложениями, такими как питание космических кораблей, таких как марсоход Perseverance, где легкое и надежное производство энергии имеет большее значение, чем цена.

Термоэлектрические материалы слишком дороги и загрязняют окружающую среду для более широкого использования, но новые версии, которые заменяют более тяжелые элементы магнием, могут изменить это, открыв дверь для еще лучших вариантов, которые могут найти широкое применение.

Термоэлектрические материалы работают, создавая ток между горячей и холодной стороной. К сожалению, если материал проводит тепло примерно так же, как он проводит электричество, температуры выравниваются, перекрывая ток. Таким образом, материалы должны быть теплоизолирующими, что чаще ассоциируется с тяжелыми металлами, чем с легкими, поэтому ученые, работающие в этой области, сосредоточились на более крупных атомах.

Когда другие ученые попробовали на всякий случай материалы на основе магния, они были удивлены, обнаружив, что они работают на удивление хорошо.

Д-р Оливье Делэр из Университета Дьюка подтвердил, что эти материалы Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2, работают в три раза лучше, чем кальций и иттербий, элементы с большим количеством протонов и схожими химическими свойствами, которые также может объяснить неожиданное явление.

Магний также имеет довольно значительное преимущество, заключающееся в том, что он дешев, распространен и относительно не загрязняет окружающую среду.Хотя он разделяет эти черты с кальцием, это не относится к другим испытанным материалам.

«Традиционные термоэлектрические материалы основаны на тяжелых элементах, таких как свинец, висмут и теллур, — элементах, которые не очень безопасны для окружающей среды, и они также не очень распространены», — сказал Делэр в своем заявлении. «Эти магниевые материалы, однако, имеют удивительно низкую термоэлектрическую проводимость, несмотря на низкую массовую плотность». Более того, хотя высокотемпературные термоэлектрические эффекты распространены, Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2 хорошо работают при температуре, близкой к комнатной.

Тем не менее, Делэр не считает, что именно эти материалы станут будущим термоэлектрической генерации. Сурьма и висмут не особенно распространены, а производство сурьмы довольно загрязняет окружающую среду. Однако так же, как большинство фармацевтических препаратов являются модификациями многообещающей, но несовершенной молекулы, Делэр надеется, что два исследованных до сих пор материала на основе магния, которые принадлежат к классу, известному как Zintls, откроют дверь для более совершенных версий.

«В химических исследованиях изучение возможностей новых материалов часто включает замену одного элемента другим, просто чтобы посмотреть, что произойдет», — сказал первый автор Цзинсюань Дин.«Обычно мы заменяем их химически схожими элементами в периодической таблице, и одно из больших преимуществ использования Zintls заключается в том, что мы можем экспериментировать с множеством различных элементов и различных комбинаций».

Хотя это можно сделать методом проб и ошибок, Динг и Дэлэр надеются сократить этот процесс, выяснив, почему магний работает так хорошо. Они узнали, что связь магния препятствует передаче тепла. В его присутствии тепловые волны, переносящие колебания с теплой стороны материала на более холодную, мешают друг другу, а не распространяются чисто.


  На этой неделе в IFLScience

Еженедельно получайте самые важные научные новости на свой почтовый ящик!


преобразование отработанного тепла в электричество даже при небольшой разнице температур

Отработанное тепло, например, от систем отопления, обычно просто рассеивается. Он излишне нагревает подвальные помещения и их промышленное окружение, не принося никакой пользы. Однако устойчивое энергоснабжение включает включение этого отработанного тепла в энергоснабжение.Немецкие и японские ученые подошли на большой шаг ближе к цели преобразования избыточного тепла в электричество при низких перепадах температур.

Во многих технических процессах используется только часть подводимой энергии. Различное количество остатка покидает систему в виде остаточного тепла, которое, в свою очередь, может быть использовано для производства тепла или электроэнергии, если оно не остается неиспользованным. Чем выше температура этого отработанного тепла, тем проще и экономичнее будет его утилизация.Но есть и способ использования низкотемпературного сбросного тепла, а именно с помощью термоэлектрических генераторов, преобразующих тепло непосредственно в электричество. Однако пока это создает проблему: термоэлектрические материалы дороги и иногда токсичны. Термоэлектрические генераторы также требуют больших перепадов температур для достижения относительно небольшого эффекта.

Термомагнитный вместо термоэлектрического

Но есть альтернатива. Еще в 19 веке исследователи представили первые концепции термомагнитных генераторов.Между тем такие генераторы на основе сплавов, магнитные свойства которых сильно зависят от температуры, представляют собой многообещающую альтернативу термоэлектрическим генераторам. В этом случае изменение намагниченности в приложенной катушке индуцирует электрическое напряжение. Загвоздка, однако, в том, что электрическая мощность этих генераторов пока оставляет желать лучшего.

Дополнительные статьи по использованию сбросного тепла

Ученым из Института технологии микроструктуры (IMT) при KIT и Университета Тохоку в Японии удалось значительно увеличить электрическую мощность термомагнитных генераторов по сравнению с их занимаемой площадью.«Благодаря результатам нашей работы термомагнитные генераторы впервые могут конкурировать с известными термоэлектрическими генераторами», — говорит профессор Манфред Коль, руководитель исследовательской группы интеллектуальных материалов и устройств в IMT KIT. «Таким образом, мы значительно приблизились к цели преобразования отработанного тепла в электричество при небольших перепадах температур». Работа команды является темой обложки текущего номера журнала энергетических исследований Joule.

Видение: утилизация отработанного тепла при температуре, близкой к комнатной

В качестве тонких пленок в термомагнитных генераторах магнитные интерметаллические соединения, известные как сплавы Гейслера, обеспечивают сильное зависящее от температуры изменение намагниченности и быструю теплопередачу.Исследователи объяснили, что это основа новой концепции резонансного самовозбуждения. По их словам, даже при небольшой разнице температур устройства могут возбуждаться до резонансных колебаний, которые можно эффективно преобразовывать в электричество.

Однако, по их словам, электрические характеристики отдельных устройств низкие, и увеличение масштаба зависит в первую очередь от разработки материалов и конструкции. В своей работе над никель-марганцево-галлиевым сплавом немецкие и японские исследователи обнаружили, «что толщина слоя сплава и площадь основания устройства влияют на электрические характеристики в противоположных направлениях.«Основываясь на этом открытии, им удалось увеличить электрическую мощность в 3,4 раза по сравнению с занимаемой площадью. Для этого они увеличили толщину слоя сплава с пяти до 40 микрометров.

В результате термомагнитные генераторы достигли максимальной электрической мощности 50 микроватт на квадратный сантиметр при изменении температуры всего на три градуса Цельсия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.