Тепловые генераторы: Термоэлектрические генераторы — Тепловые электрогенераторы — Интернет-магазин — Мир солнечной энергии

Содержание

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

  • Самойлович А.Г. «Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии» 2007
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е.А. «Термоэлектрическая энергетика» 1974
  • Бернштейн А. С. «Термоэлектричество» 1957
  • Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства» 1979

Гидромеханические тепловые генераторы

Тепловые пункты с гидромеханическими тепловыми генераторами могут применяться :
•  для отопления жилых и производственных зданий;
•  для отопления временных сооружений и строительных объектов при отсутствии стационарного теплоснабжения;
•  в качестве резервного источника тепла при аварийном отключении от систем централизованного теплоснабжения. Размещение установки может быть осуществлено в контейнерах и на транспорте;
•  в качестве дополнительного источника тепла к основным средствам отопления при пиковых нагрузках в сети;
•  для отопления индивидуальных домов и отдельных коттеджей;
•  для автономного обеспечения горячей водой калориферов в системах вентиляции и воздушного отопления;
•  для получения горячей воды для различных бытовых нужд;
•  для разогрева или сушки рабочего продукта в различных технологических процессах.
•  в системах отопления в полевых госпиталях и пунктах управления.

В качестве механического привода для работы теплового генератора применяются электродвигатели. В мобильных тепловых пунктах могут применяться двигатели внутреннего сгорания.

Номенклатура изготавливаемых в настоящее время тепловых генераторов (тепловых станций – ТС)

 

Наименование параметра

Параметрический ряд

ТЕГМА
022

ТЕГМА
037

ТЕГМА
055

ТЕГМА
075

ТЕГМА
090

ТЕГМА
110

Тепловая мощность

22

37

55

75

90

110

Номинальная активная мощность
электродвигателя, кВт.

22

37

55

75

90

110

Градиент температур, С
(при номинальном объеме прокачки)

12

120

15

15

15

15

Номинальная температура теплоносителя

75-95 С

КПД

0,89-0,9

0,9-0,93

Номинальный объем прокачки теплоносителя, м куб/час

5,0

7,0

8,0

9,0

12,0

15,0

Могут также изготавливаться тепловые станции большой тепловой мощности (до 500- 800 кВт). Мощности тепловых пунктов (тепловых узлов) набираются из тепловых станций, исходя из потребности в расходах тепла, и могут составлять единицы десятки гигакалорий.

Тепловые генераторы могут работать в автономном ручном режиме управления или в составе автоматизированной системы теплоснабжения с применением устройств плавного пуска или шкафа автоматического управления тепловым генератором.

Общая структурная схема вариантов построения теплового пункта с одним и двумя тепловыми генераторами

Эффективность применения гидромеханических тепловых генераторов с электрическим приводом обусловлена следующими технологическими особенностями процесса генерации тепла:
•  Жидкость, проходящая через тепловой генератор в процессе работы, с одной стороны является источником тепла, с другой, одновременно теплоносителем. Во всех других видах термических источников тепла эти функции разделены между различными материалами. Такое совмещение значительно упрощает конструкцию и повышает надежность и одновременно позволяет избавиться от такого неприятного свойства котлов как выпадение накипи на нагревательных элементах. Требования к качеству воды, которая в основном используется в системах отопления, значительно снижаются и отсутствуют затраты на водоподготовку.
•  Известно, что тепловая мощность, выделяющаяся в процессе трения, и эквивалентная ей потребляемая двигателем электроэнергия, зависит от скорости взаимодействия поверхностей трения. Наибольшая скорость создается в слоях жидкости непосредственно прилегающих к поверхности твердого тела. Скорость взаимодействия последующих, отстоящих от поверхности диска слоев, будет зависеть от величины кинематической вязкости жидкости и следовательно будет снижаться по мере удаления от поверхности диска Повышение температуры жидкости приводит к уменьшению ее кинематической вязкости и следовательно к уменьшению связности слоев жидкости. Так, например, при температуре 20С вода имеет вязкость около 1 Пс, то при 80-95С она уменьшается до 0,2-0,25 Пс. Уменьшение кинематической вязкости приводит к уменьшению сил сцепления между слоями жидкости, что приводит к снижению нагрузки на валу асинхронного двигателя и, как следствие, к уменьшению потребляемого тока и активной мощности из сети. Не меняется и скорость вращения двигателя, т.е. практически неизменными сохраняются условия поверхностного трения и количество вырабатываемого тепла. По сравнению с любыми электрическими нагревателями равной тепловой мощности в тепловом генераторе потребляемая активная мощность составляет 80-85% от мощности потребляемой электрическим нагревателем. Как показывают анализ результатов испытаний тепловых генераторов в установившемся режиме работы количество получаемого тепла равно полной мощности подводимой к электродвигателю с учетом КПД установки.
•  В качестве привода теплового генератора может использоваться не только электродвигатель, но и двигатели внутреннего сгорания, и любые другие источники механического привода. Применение двигателей внутреннего сгорания позволяет построить мобильные тепловые станции, которые можно использовать в качестве резервных и аварийных источников тепла.

Гидромеханические тепловые генераторы

  Примечание: Информация, приведенная в таблице, определялась на основе данных экспертного опроса, технических характеристик существующих котлов-генераторов тепла, действующих тарифов на топливо и электроэнергию и теплотворной способности источников тепла: уголь- 0,0047кВт/кг; мазут-0,0075 кВт/кг; природный газ- 0,005 кВт /куб.м.; дров –0,003кВт/кг.

*Для электродного котла и котлов с тепловыми электрическими нагревателями (ТЭН) не учитывалось, что тариф на электроэнергию для термических потребителей в отдельных случаях удваивается.

**Коэффициент рабочего цикла определяет относительное время активной работы котла – генератора тепла. Тепловые котлы и системы теплоснабжения, устанавливаемые в котельных с твердом, жидком топливом и газом (с централизованным отоплением) весьма инерционны и поэтому время рабочего цикла их равно 1. Электрические котлы и гидромеханические генераторы тепла легко выключаются и включаются автоматикой и коэффициент их включенного рабочего состояния может составлять 0,7-0,8 от общего времени работы системы отопления.

***Стоимость тепловой энергии у потребителя рассчитывался с учетом следующих исходных данных: — оплата за электроэнергию производится по двухтарифной схеме. Процент потерь в системах с индивидуальными котельными в домах принимался по максимальной величине равной 15%. Для остальных видов тепловых систем процент потерь принимался от 30% до 50% .

Выводы.
•  По удельным расходам потребителей на топливо(электроэнергию) гидромеханические генераторы тепла занимают третью позицию, после котлов на природном газе. Однако, стоимость тепла для гидромеханических тепловых генераторов можно значительно удешевить, если поставить накопители горячей воды и в ночное время , когда действует дешевый ночной тариф нагревать воду для последующего расхода в дневное время . Для котлов на природном газе такой режим работы не имеет экономической целесообразности. И в этом случае отопление на гидромеханических тепловых генераторах окажется дешевле газового.
•  Котлы на твердом топливе (угле, торфе и дровах) при малой удельной стоимости топлива имеют известные недостатки, связанные с необходимостью транспортировки , хранения , вывоза и утилизации большого количества зольных отходов. Это загрязняет окружающую среду. Их применение в настоящее время обуславливается в основном не экономической целесообразностью, а как единственно возможный способ обеспечения теплофикации определенных районов. В индивидуальных домах при отсутствии газового или электрического отопления это единственный источник тепла. Применение этих виды топлива в системе отопления России обусловлены жизненной необходимостью и в определенных условиях находится вне конкуренции при всех присущих им недостатках. Альтернативой сложившейся ситуации может быть только развитие системы электроснабжения и переход на отопление от гидромеханических тепловых генераторов, что является реальной перспективой ближайшего будущего.
•  Капитальные и эксплуатационные затраты, которые составляют до 75% в действующих тарифах на теплоснабжение, в системах с гидромеханическими тепловыми генераторами значительно снижены. Капитальные затраты ниже на 20-30%, эксплуатационные затраты – ниже в 1,5- 2 раза.
•  Затраты на оплату за потребляемую электроэнергию в системах отопления с гидромеханическими тепловыми генераторами, примерно на 15-20% меньше по сравнению с электрическими котлами и нагревателями равной тепловой мощности

•  Мобильные тепловые станции на базе гидромеханических тепловых генераторов могут использоваться в качестве автономного источника теплоснабжения и горячего водоснабжения полевых объектов: подвижных пунктов управления, госпиталей, объектов материально-бытового назначения(прачечных, пунктов дезактивации и т.д.), а также для решения задач восстановления нарушенного теплоснабжения на объектах жилого фонда , в медицинских и детских учреждениях

•  В настоящее время гидромеханические тепловые генераторы нашли применение в системах отопления жилых домов, офисных, складских помещений, на строительных и др. объектах, на производстве для разогрева технологических продуктов ,в домах отдыха и банях и других сферах, где необходимо получение горячей воды. Свою эффективность тепловые генераторы подтвердили на более чем 100 объектах в России и за рубежом.

 

 

Тепловой генератор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Тепловой генератор

Cтраница 3

Торкретирование наружной поверхности стенки корпуса резервуара в зимних условиях выполняют в передвижных укрытиях тепляках. Обогрев укрытий осуществляют теплым воздухом, который подают от воздушных тепловых генераторов или от вентиляционно-отопительных агрегатов. В укрытии размещают цемент-пушку или бетононасос. Все шланги и трубы для подвода воды к установкам для торкретирования надежно утепляют. Температура воды, подаваемой в сопло форсунки, при сухом торкретировании должна быть не ниже 40 С, а температура готового раствора в бункере установки торкретирования при мокром способе — не ниже 15 С. Перед нанесением торкретбетО На поверхность стенки корпуса резервуара нагревают теплым воздухом, подаваемым в укрытие.  [31]

Волновое сопротивление линии равно сопротивлению шумящего резистора. В зависимости от диапазона частот, в котором нужно получать шумовую энергию, тепловые генераторы шума выполняются коаксиальной ( рис. 4.28 а) или волноводной ( рис. 4 286) конструкции.  [33]

В центральных системах все их части — генератор, теплопроводы и нагревательные приборы — разобщены и представляют собой различные конструктивные устройства. Такие системы имеют значительно больший радиус действия, чем местные. В них одним тепловым генератором может обслуживаться отдельная квартира или часть здания, все здание целиком или ряд зданий в меньшем или большем количестве. Системы, обслуживающие ряд зданий в пределах одного района от одного теплового генератора ( районной котельной), называют районными. В зависимости от применяемого теплоносителя центральные системы отопления подразделяют на три основные группы: водяные, паровые и воздушные.  [34]

Системы центрального отопления имеют значительно больший радиус действия, чем системы местного отопления. В них одним тепловым генератором может обслуживаться отдельная квартира, часть здания, все здание в целом либо ряд зданий. Системы, обслуживающие ряд зданий в пределах одного района от одного теплового генератора ( районной котельной), называются районными системами отопления.  [35]

Тепловой генератор шума состоит из резистора, нагретого до некоторой температуры, термостата с автоматическим устройством для поддержания постоянства температуры резистора и линии передачи шумовой энергии. Волновое сопротивление линии равно сопротивлению нагретого резистора. В зависимости от диапазона частот, в котором нужно получать шумовую энергию, тепловые генераторы шума выполняются коаксиальной ( рис. 5.18 а) или волноводной ( рис. 5.186) конструкции. Промышленностью выпускаются тепловые генераторы шума с волновым сопротивлением 75 и 50 Ом, коаксиальные, работающие в диапазоне от 0 1 до 4 0 ГГц и волноводные — в диапазоне от 4 0 до 11 5 ГГц. Полоса частот каждого волноводного генератора определяется сечением волновода и не превышает 30 — 35 % от средней частоты.  [36]

Тепловой генератор шума состоит из резистора, нагретого до некоторой температуры, термостата с автоматическим устройством для поддержания постоянства температуры резистора и линии передачи шумовой энергии. Волновое сопротивление линии равно сопротивлению нагретого резистора. В зависимости от диапазона частот, в котором нужно получать шумовую энергию, тепловые генераторы шума выполняются коаксиальной ( рис. 5.18 а) или волноводной ( рис. 5.186) конструкции. Промышленностью выпускаются тепловые генераторы шума с волновым сопротивлением 75 и 50 Ом, коаксиальные, работающие в диапазоне от 0 1 до 4 0 ГГц и волноводные — в диапазоне от 4 0 до 11 5 ГГц. Полоса частот каждого волноводного генератора определяется сечением волновода и не превышает 30 — 35 % от средней частоты.  [37]

В центральных системах все их части — генератор, теплопроводы и нагревательные приборы — разобщены и представляют собой различные конструктивные устройства. Такие системы имеют значительно больший радиус действия, чем местные. В них одним тепловым генератором может обслуживаться отдельная квартира или часть здания, все здание целиком или ряд зданий в меньшем или большем количестве. Системы, обслуживающие ряд зданий в пределах одного района от одного теплового генератора ( районной котельной), называют районными. В зависимости от применяемого теплоносителя центральные системы отопления подразделяют на три основные группы: водяные, паровые и воздушные.  [38]

Разработанный стенд, кроме температурных характеристик теплового генератора, позволяет также определить гидродинамические характеристики теплообменника о ПТЭ.  [39]

Методически работа на стенде осуществлялась следующим образом: проводились три серии экспериментов с расходом, установленным путем последовательного съема поршеньков силового насоса. Разработанный стенд, кроме температурных характеристик теплового генератора, позволяет также определить гидродинамические характеристики теплообменника о ПТЗ.  [40]

Страницы:      1    2    3

производитель электростанций, генераторов, мотопомп, тепловых пушек, компрессоров, дорожной техники /официальный сайт Росэнергогрупп/

FIRMAN — производитель электростанций, генераторов, мотопомп, тепловых пушек, компрессоров, дорожной техники /официальный сайт Росэнергогрупп/

Любая уважающая себя компания, готовая нести ответственность перед покупателем, в обязательном порядке ведёт как контроль качества поставляемых на конвейер узлов и комплектующих, так и контроль сборки изделий. Компания SUMEC очень серьёзно относится к этому этапу производства и проводит тесты на долговечность для каждой партии производимого оборудования. Более того, из каждой промышленной партии оставляются случайно выбранные 2 изделия в качестве эталонных. По ним, в случае нареканий потребителей, можно судить о сбоях в техпроцессе, если таковые случились.

Подробнее

Корпорация SUMEC

Корпорация SUMEC Group Corporation создана в 1978 году и является одной из ключевых государственных компаний Китая. SUMEC входит в состав китайской национальной машиностроительной корпорации SINOMACH. В 2014 году корпорация вошла в топ-500 предприятий мировой промышленности.

Подробнее

Бензиновые генераторы INDUSTRIAL LINE

Электростанции FIRMAN серии INDUSTRIAL LINE собраны на базе оригинальных японских двигателей Mitsubishi и Subaru и рассчитаны на профессиональную ежедневную работу в сложных условиях.
подробнее

Бензиновые генераторы серии FPG

Отличие бензогенераторов серии FPG от серии SPG, — наличие дополнительной защиты топливного бака и усиленная рама из квадрата (трубы квадратного сечения), что важно при нестационарной эксплуатации электростанций (работа в мобильных/передвижных бригадах). Также улучшена передняя панель,- современный дизайн и функциональность + дополнительная розетка на 220В.
подробнее

Бензогенераторы серии SPG

В серию SPG вошли бензогенераторы для обеспечения энергией электроинструментов и оборудования в «полевых условиях». Способны работать при номинальной нагрузке до 10 часов. Все модели оборудованы вольтметрами, датчиками уровня масла (кроме SPG1500) и функциональными панелями.
подробнее

Бензогенераторы эконом класса NAVIGATOR

Бензиновые генераторы под брендом NAVIGATOR были специально разработаны на заводах корпорации SUMEC MACHINERY ELECTRIC CO.,LTD в связи с потребностями российских покупателей, приобретающих бензогенераторы для частных домов и дач, но требующего высокого качества сборки за разумную цену.
подробнее


Дизельные генераторы серии SDG до 10 кВт

Дизельные генераторы FIRMAN серии SDG до 10 кВт предназначены для резервного электроснабжения строительных площадок, обеспечивая питание разнообразного промышленного электроинструмента. Применение дизельных электростанций дает экономический эффект при регулярном использовании.
подробнее

Промышленные дизельные генераторы FIRMAN

Промышленные генераторы FIRMAN предназначены для аварийного и постоянного энергоснабжения промышленных, сельскохозяйственных, гражданских объектов при отсутствии подключения к электросетям. Разнообразие применения промышленных электростанций как основного источника питания электросетей определяется в первую очередь мощностью дизель генераторов и высоким моторесурсом.
подробнее


Сварочные генераторы FIRMAN

Сварочные генераторы FIRMAN оборудованы системой точной регулировки силы тока, что обеспечивает высокое качество сварки. Стабильное напряжение, вырабатываемое генератором, напрямую влияет на качество сварного шва. Выбор тока для сварки зависит от толщины обрабатываемого металла.
подробнее


Дизельные тепловые пушки FIRMAN

Дизельные тепловые пушки FIRMAN прямого нагрева используются на строительных площадках, в промышленных помещениях, при работе в суровых климатических условиях. Камера сгорания тепловых пушек FIRMAN выполнена из высокопрочной жаростойкой стали.
подробнее


Воздушные компрессоры FIRMAN

Воздушные компрессоры FIRMAN используются для подачи воздуха под давлением и имеют широкий спектр сфер применения. Воздушно поршневые компрессоры FIRMAN могут быть использованы в шиномонтажных мастерских, где необходим сжатый воздух под высоким давлением.
подробнее


Бензиновые и дизельные мотопомпы FIRMAN

Под брендом FIRMAN производятся бензиновые и дизельные мотопомпы широкого спектра применения. Мотопомпы могут быть использованы на строительных площадках и в частных домах. В мотопомпах FIRMAN используются насосы центробежного типа, что позволяет использовать мотопомпы для перекачки грязной и чистой воды.
подробнее

Росэнергогрупп8 (800) 333-25-328 (495) [email protected]

МКАД 43км, Логистический центр «Славянский Мир»Москва

Тепловые генераторы | Проект Заряд

Геотермальный тепловой насос — это отопительное устройство? имеющее высокую мощность и энергетическую эффективность, хорошо адаптирован для работы при низких температурах и плохих погодных условиях. Принцип работы грунтового геотермального теплового насоса базируется на сборе тепловой энергии из природных источников, окружающих здание … Читать далее →

Уже более семидесяти лет человечеству известен сверхэффективный способ преобразования электрической энергии в механическую, посредством электрогидравлического эффекта Юткина (ЭГЭ). Но, как всегда, эффект не применяется в быту, о нем и о его авторе нет ничего в «Википедии» и официальная наука очень … Читать далее →

За более, чем два года работы проекта у нас накопилось множество практических идей и незавершенных проектов и разработок, причем число их вплотную приблизилось к критической отметке, которая просто не позволяет копить их дальше. В связи с этим мы предпринимаем очередную … Читать далее →

Пусть и с небольшим запозданием от намеченного и объявленного срока, мы все же представляем Вашему вниманию седьмой выпуск еженедельного обзора «Будни альтернативной энергии». По нашему мнению он вобрал в себя все самые достойные Вашего внимания события, которые произошли за прошлую … Читать далее →

А вот и долгожданный пятый выпуск нашего нового еженедельника «Будни альтернативной энергии», который по обычаю вобрал в себя все самое интересное и значимое, что произошло на поприще освоения свободной и альтернативной энергии за последние две недели с 26-го ноября по … Читать далее →

В кругу СЕ сообщества тепловой насос Френетта является достаточно популярным устройством в силу своей простоты и КПД выше 1000%. Но мало кто знает, что сюрпризы и «чудеса», которые способно преподнести данное устройство, совсем не заканчиваются на его чрезвычайно высоком КПД, … Читать далее →

Виктор Шаубергер – настоящий гений, который стал одним из самых известных и успешных ученых своей эпохи, смог воплотить в реальность большое количество проектов и удивить мир такими изобретениями как реактивная турбина Strahlturbine или конструкция двигателя, использующего силу давления. В любом … Читать далее →

Этот двигатель за годы своего существования был всегда популярен. Это связно с тем, что он очень функционален, удобен в использовании и экономичен. Принцип устройства машины знаком, пожалуй, даже ребенку – это система двигателя внутреннего сгорания, который работает на основе разницы … Читать далее →

  Изучая вопросы, касающиеся глобального потепления, ученые давно разрабатывают способы захоронения углекислого газа, вырабатываемого тепловыми электростанциями. На сегодняшний день существует несколько проектов захоронения парникового газа глубоко под землей с последующей выработкой электроэнергии за счет геотермальных источников. … Читать далее →

Исследователи из Технологического института Массачусетса (MIT) разработали новую фотоэлектрическую систему. Она сделана таким образом, чтобы вырабатывать электроэнергию исключительно от тепла. Новой электросистеме от MIT не нужен солнечный свет. При этом источником тепла может стать практически все, что угодно: распадающиеся радиоизотопы, … Читать далее →

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.

Де і як компаніям необхідно укріпити свій захист

Дом-Термоэлектрический генератор Модули ТЭГ 100Вт Генератор дровяной печи

Технология TEG Generator POWER имеет свои сильные стороны. Поскольку удельная мощность очень велика, можно изготавливать небольшие термоэлектрические генераторы. Например, сборка ТЭГ мощностью 100 Вт может поместиться примерно в двадцатую часть пространства, необходимого для эквивалентной солнечной батареи. Кроме того, производительность составляет 24 часа в сутки при наличии источника тепла и стороны отвода холода. Таким образом, фактическая выходная мощность может быть в 6-7 раз больше, чем может производить 100-ваттная солнечная батарея.Что необходимо, чтобы сделать технологию дешевой в эксплуатации, так это отработанное тепло, которое по определению является бесплатным. Ключевыми словами являются «УТИЛИЗАЦИОННОЕ ТЕПЛОЭнергогенератор ТЭГ». За последние 30 лет компания TEC разработала новые конструкции на основе эффекта Зеебека для использования в термоэлектрических генераторах. В 2020 году компания представила генератор для дровяной печи Rabbit Ears мощностью 100 Вт. Лучший в своем классе запатентованный термоэлектрический генератор мощностью 100 Вт для дровяной печи, демонстрирующий превосходную производительность и надежность. Система термоэлектрического генератора TEG мощностью 100 Вт является выдающейся.Устройство поставляется с дымоходом длиной 24 дюйма и диаметром 6 дюймов, уже собранным для быстрой установки. Уникальный теплообмен «труба в трубе» обеспечивает превосходное охлаждение на холодной стороне, рассчитанное на максимальную DT, что позволяет достичь максимальной мощности ТЭГ. Поглотители тепла с обеих сторон трубы используют радиаторы для проникновения в поток дымовых газов, максимизируя поглощение тепла для превосходной выработки энергии. Запатентованная конструкция является лучшей в своем классе и была разработана ветераном с 30-летним стажем работы в области термоэлектрических генераторов. Он поставляется с высокоэффективным насосом с магнитным приводом 12 В постоянного тока и изготовленным на заказ контроллером заряда постоянного тока с функциональностью ПЛК.

В системе справа используются обработанные трубы из сшитого полиэтилена (PEX) для упрощения сантехнических работ, а также исключительный дизайн и универсальность TEG. ПЛК может быть оснащен термопарным датчиком горячей стороны для управления обратной подачей насоса. Например, если температура печи ниже 100F, насос можно включать и выключать, экономя ценную энергию. ПЛК также имеет порт R-232 для подключения компьютера для программирования других функций. Будущие варианты включают в себя автоматический огнетушитель, который будет выпускать инертную пищевую соду, если в верхней части вашего 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 являются зрелым материалом. Их характеристики и производительность хорошо задокументированы и широко используются в коммерческих целях. Однако PbTe до сих пор почти невозможно приобрести отдельно в виде модуля. Гибридный термоэлектрический модуль, сочетающий в себе лучший в своем классе материал Bi2Te3 P-типа с лучшим в классе материалом PbTe N-типа для формирования первых гибридных модулей TEG, классифицированных 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. А теперь PbTe/TAGS с эффективностью до 12%.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) | Продукты | Термоэлектрическое охлаждение | Охладители Пельтье

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ)

, также известные как устройства Зеебека, генераторы Пельтье и т. д. ТЭГ превращают отработанное тепло в полезную энергию, используя преимущества источника тепла и поглотителя холода.Термоэлектрические генераторы идеально подходят для удаленных мест, которые не подключены к сети, но имеют источник тепла.

Вот некоторые примеры источников тепла; печи, дровяные печи, камины, пеллетные печи, выхлопные трубы, бензиновые и дизельные двигатели, солнечные коллекторы, солнечные концентраторы, нагреватели ракетной массы, котлы и многое другое. Отработанное тепло повсюду и доступно для получения энергии.

Просто предоставьте источник тепла (до 320°C [608F]) и способ охлаждения холодной стороны. Чем больше разница температур между горячей стороной ТЭГ и холодной стороной, тем больше вырабатываемая электрическая мощность.Разница в 10 градусов по Цельсию даст милливатт на ТЭГ, а разница в 270 градусов по Цельсию может произвести до 21 ватта электроэнергии. Когда тепло проходит через ТЭГ от горячей стороны к холодной, полупроводниковые таблетки вырабатывают электроэнергию. Эффективность преобразования этого теплового потока в электричество увеличивается по мере того, как дельта T [Дельта T = T горячей — T холодной ] становится больше. Чем больше дельта Т, тем выше КПД. Эффективность достигает максимума около 7.5%. Простой способ представить себе эту эффективность состоит в том, что на каждые 100 ватт тепла, проходящего через ТЭГ, будет вырабатываться максимум 7,5 ватт электроэнергии.

Имейте в виду, что наиболее сложной задачей при сборе отходящего тепла с помощью ТЭГ является поддержание низкой температуры на холодной стороне. Даже при работе ТЭГ с максимальным КПД все равно на холодную сторону поступает 92,5% тепла (100-7,5%). Это тепло должно быть устранено, иначе холодная сторона ТЭГ больше не будет «холодной стороной», поскольку она будет быстро нагреваться.Воздушного охлаждения может быть достаточно для 1 или 2 ТЭГ, но жидкостное охлаждение является гораздо лучшим методом для охлаждения холодной стороны.

См. нашу энциклопедию TEG, чтобы узнать, как это работает. См. наше руководство по установке TEG, чтобы узнать, как их установить.

  • Модули ТЭГ

  • ТЭГ Электроника

  • Принадлежности ТЭГ

  1. Добавить в корзину
  2. Добавить в корзину
  3. Добавить в корзину
  4. Добавить в корзину
  5. Добавить в корзину
  6. Добавить в корзину
  7. Добавить в корзину
  8. Добавить в корзину
  9. Добавить в корзину
  10. Добавить в корзину
  11. Добавить в корзину
  12. Добавить в корзину
  13. Добавить в корзину
  14. Добавить в корзину
  15. 10 долларов.50

    Добавить в корзину
  16. Добавить в корзину
  17. Добавить в корзину
  18. Добавить в корзину
  19. Добавить в корзину
  20. Добавить в корзину
  21. Добавить в корзину
  22. Добавить в корзину
  23. Добавить в корзину
  24. Добавить в корзину
  25. Добавить в корзину

Как работают термоэлектрические генераторы — Applied Thermoelectric Solutions LLC

Как работают термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой 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 при нагрузке.

Модуль термоэлектрического генератора

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

Термоэлектрический охладитель работает в обратном направлении от термоэлектрического генератора. При подаче напряжения на термоэлектрический охладитель возникает электрический ток.Этот ток вызывает эффект Пельтье. Благодаря этому эффекту тепло перемещается с холодной стороны на горячую. Термоэлектрический охладитель также является твердотельным полупроводниковым устройством. Компоненты такие же, как у термоэлектрического генератора, но конструкция компонентов в большинстве случаев отличается.

В то время как термоэлектрические генераторы используются для производства энергии, термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) используются для отвода или добавления тепла. Термоэлектрическое охлаждение имеет множество применений в охлаждении, нагреве, охлаждении, контроле температуры и управлении тепловым режимом.

Остальная часть этого поста посвящена термоэлектрическим генераторам.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

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

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

Эффект Зеебека представляет собой 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 накоплению носителей заряда на одном конце. Это накопление заряда создает потенциал напряжения, который прямо пропорционален разности температур полупроводника.

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Три материала обычно используются для термоэлектрических генераторов.Этими материалами являются теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Какой материал использовать, зависит от характеристик источника тепла, холодоотвода и конструкции термоэлектрического генератора. Многие материалы для термоэлектрических генераторов в настоящее время проходят исследования, но не были коммерциализированы.

Теллурид висмута сурьмы (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Для создания модуля термоэлектрического генератора множество пар p-типа и n-типа соединяются электрически последовательно и/или параллельно для создания желаемого 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 открыт эффект Зеебека?

До недавнего времени считалось, что Томас Зеебек открыл явление, известное сегодня 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, придав железному стержню U-образную форму. Один конец стержня нагревали, опуская его в кипящую воду. Когда неравномерно нагретый стержень был электрически соединен с уже неживой лягушачьей лапкой, через лягушачью лапку 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 соединений двух соединенных разнородных металлов вращается стрелка компаса, расположенная в непосредственной близости.Первоначально это называлось термомагнитным эффектом. Позже было обнаружено, что напряжение и, следовательно, ток индуцируются нагревом перехода. Ток создавал магнитное поле по закону Ампера. Это индуцированное напряжение из-за нагрева перехода стало известно как эффект Зеебека.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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


Настройка браузера для приема файлов cookie

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

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

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

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Силовые системы | Энергетические и тепловые системы – НАСА RPS: Радиоизотопные энергетические системы

Марсоход Марсианской научной лаборатории Curiosity сделал этот автопортрет, на котором в центре изображен его радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ).

Наследие исследований

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГи обеспечивают электроэнергией космические аппараты путем преобразования тепла, выделяемого при распаде топлива из плутония-238 (Pu-238), в электричество с помощью устройств, называемых термопарами. Поскольку в них нет движущихся частей, которые могут выйти из строя или изнашиваться, РИТЭГи исторически рассматривались как высоконадежный источник питания. Термопары используются в РИТЭГах в общей сложности более 300 лет, и ни одна термопара никогда не прекращала вырабатывать энергию.

Термопары распространены в предметах повседневного обихода, которые должны контролировать или регулировать свою температуру, таких как кондиционеры, холодильники и медицинские термометры. Принцип работы термопары состоит из двух пластин, каждая из которых изготовлена ​​из разных металлов, проводящих электричество. Соединение этих двух пластин в замкнутую электрическую цепь при сохранении двух соединений при разных температурах приводит к возникновению электрического тока. Каждая из этих пар спаев образует отдельную термопару. В РИТЭГе радиоизотопное топливо нагревает один из этих спаев, а другой спай остается ненагретым и охлаждается космической средой или планетной атмосферой.

Многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор Разобранный вид с маркировкой, показывающий основные компоненты MMRTG или многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора. Изображение предоставлено: НАСА.

Текущая модель РИТЭГ — многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор или MMRTG . Он основан на типе РИТЭГ, который ранее использовался на двух посадочных модулях «Викинг» и космических кораблях «Пионер-10» и «11» (РИТЭГ SNAP-19). Он предназначен для использования либо в космическом вакууме, либо в атмосфере планеты.Избыточную тепловую энергию от MMRTG можно использовать в качестве удобного и стабильного источника тепла для поддержания надлежащей рабочей температуры космического корабля и его приборов в холодных условиях.

Высокопроизводительные совместимые термоэлектрические генераторы с проводниками мягкого тепла, собранными с помощью магнита, для носимой электроники с автономным питанием

Разработка и высокоавтоматизированный процесс для соответствующих ТЭГ

На рис. 1a показаны концепция и конструкция наших совместимых ТЭГ.Ранее сообщалось, что в высокопроизводительных ТЭГ, соответствующих требованиям, обычно использовались толстые и жесткие электроды для соединения ветвей ТЭ 35, 36, 39 , и они страдали ограниченной механической гибкостью и сложными процессами изготовления. Жидкие металлы, такие как эвтектический галлий-индий (EGaIn), использовались для мягких межсоединений 37,38,42 , но их вредная и нестабильная природа требует инкапсуляции полимера с высоким термоимпедансом, что значительно затрудняет передачу тепла к ТЭ материалам.Для решения этих проблем мы разрабатываем мягкую платформу теплопередачи и электрического соединения (SHEP), в которую встроены внутренне растяжимые электроды и s-HC, которые соединяют высокие zT TE ветви и соединяют их с источниками тепла произвольной формы, соответственно. , сохраняя при этом как механическую мягкость, так и низкий тепловой импеданс (рис. 1b, c). Мягкие электроды и s-HC были легко сформированы в эластомерной матрице с помощью одновременного процесса заливки/нанесения рисунка/отверждения следующим образом (рис.1d и подробности в «Методах», дополнительном рисунке 1, дополнительной таблице 1 и дополнительном фильме 1). Сначала мы покрыли смесь частиц Ag-Ni/предшественника PDMS на опорном стекле подложкой из полиэтиленнафталата (PEN), осажденной AgNW. Затем мы скрепили их двумя массивами железных столбов и прикрепили два магнита вверху и внизу массивов столбов. Поскольку магнитное поле сосредоточено на вертикально выровненных парах железных столбов, как показано в результате анализа конечных элементов (FEA) на дополнительном рис.2, частицы Ag-Ni быстро сходятся к месту расположения железных столбов. В то же время частицы между верхним и нижним столбами самоорганизуются, образуя четко выраженные вертикальные цепочки, т. е. перколяционные пути в смеси ПДМС. После отверждения смеси и отделения ПЭН-подложки изготавливали СЭП на опорном стекле. Процесс формирования SHEP довольно прост, легко настраивается и воспроизводим. Дизайн паттернов s-HC можно легко модулировать, используя различные массивы железных столбов.Концентрацию частиц Ag-Ni в структурах s-HC, которая определяет способность к теплопередаче, можно легко отрегулировать, изменив объемную долю смеси частиц Ag-Ni/PDMS (дополнительный рисунок 3). Кроме того, потенциальные параметры, влияющие на характеристики ТЭ, такие как интенсивность магнитного потока и вязкость PDMS, были тщательно оптимизированы, чтобы находиться в середине окна процесса, что делает наш процесс более стабильным и надежным в условиях окружающей среды (дополнительные рисунки 4 и 5). ).Затем ножки ТЭ на основе Bi 2 Te 3 были интегрированы в подготовленные SHEP с помощью полностью автоматизированной печати эпоксидной смолы и процессов захвата и установки (рис. 1e). После прикрепления верхнего SHEP к массиву ветвей TE и проникновения PDMS между верхним и нижним SHEP для дальнейшего повышения механической прочности, наконец, был изготовлен совместимый TEG с растяжимыми электродами и s-HC. Общее время процесса составляет ~4,5 ч, в том числе 2 ч на формирование ШЭП и 2,5 ч на интеграцию.

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

a Концептуальная иллюстрация соответствующего ТЭГ с мягкими электродами и мягкими теплопроводниками (s-HC) для цепей с автономным питанием. Левая вставка представляет собой фотографию термоэлектрических (ТЭ) ветвей на основе теллурида висмута (Bi 2 Te 3 ), а правая вставка представляет собой оптическое изображение поперечного сечения податливого ТЭГ. Масштабные линейки, 5 и 1  мм. b Схематическое изображение, показывающее структуру соответствующего ТЭГ, устанавливающего конформный контакт с источником тепла произвольной формы.S-HC эффективно передают тепловую энергию от источника тепла к ветвям ТЭ, а мягкие электроды обеспечивают высокую степень механической свободы. c Микроскопическое изображение платформы мягкого теплопереноса и электрических соединений (SHEP) со встроенными электродами из мягкой серебряной нанопроволоки (AgNW) и узорчатыми никелевыми (Ag-Ni) s-HC с серебряным покрытием. Масштабная линейка, 50  мкм. d Схематическое изображение и фотографии процесса одновременной заливки/нанесения рисунка/отверждения для SHEP. Масштабные линейки, 5 мм, 2 см и 5 мм. e Схематическое изображение и фотографии полностью автоматизированного процесса интеграции, совместимого с большой площадью, с использованием программируемого дозатора и устройства для захвата и размещения. Крайняя правая фотография показывает совместимый ТЭГ, состоящий из 440 ножек ТЕ, соответствующим образом прикрепленных к коже человека. Масштабные линейки, 1 см.

Наша производственная стратегия соответствует растущим тенденциям миниатюризации носимых устройств. В последние годы объемные ноги вручную размещались на подложках на полимерной основе, что ограничивает степень интеграции или коэффициент заполнения (FF), тесно связанный с удельной мощностью в носимых устройствах 4,18,25 .В отличие от этого, наша высокоавтоматизированная интеграция предлагает высокую степень масштабируемости и настраиваемости наряду с высоким выходом устройств, что позволяет надежно реализовать совместимые ТЭГ большой площади даже с ветвями 440 TE на площади 3,9   × 4,3   см 2 .

Термическая и механическая характеристика s-HC

Чтобы исследовать влияние наших s-HC на способность теплопередачи эластомерных подложек, мы систематически анализировали теплопроводность композитов объемных частиц Ag-Ni/PDMS, т.е.т. е., композиты, пространственно не структурированные массивами железных столбов, в зависимости от концентрации частиц Ag-Ni с магнитной самосборкой и без нее (рис. 2а). Сквозная теплопроводность ( K Thru-plane ) композитов увеличилась с 0,15 до 0,53 Вт м −1  K −1 при увеличении концентрации частиц Ag–Ni до 70% масс. до 1,1 Вт м −1  K −1 при магнитной самосборке (рис. 2б). Этот результат в первую очередь связан со значительно увеличенным числом вертикальных перколяционных путей, возникающих из-за приложенного магнитного поля, как показано на изображениях сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на рис.2c и дополнительный рисунок 6. На рисунке 2d показана теплопроводность в плоскости ( K в плоскости ) объемных композитов. Композиты без магнитной самосборки показали K In-plane  > 1 W m −1  K −1 , что значительно выше, чем K Thru-plane ; этот результат можно объяснить неоднородным распределением частиц Ag-Ni в вертикальном направлении из-за действия силы тяжести в процессе отверждения.После магнитной самосборки, поскольку частицы Ag–Ni высокой плотности в нижней части композита участвовали в вертикальных цепочках вдоль направления магнитного поля, K В плоскости несколько уменьшились. Примечательно, что наша стратегия, использующая магнитную самосборку частиц Ag–Ni, эффективно улучшила K Сквозь плоскость , что тесно связано со способностью передавать тепло ветвям TE без значительных потерь в K In -самолет .

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

a Схематическое изображение объемных частиц Ag–Ni/полидиметилсилоксан (ПДМС) без и с магнитной самосборкой для измерения теплопроводности в плоскости и в плоскости. b Теплопроводность через плоскость в зависимости от концентрации частиц Ag–Ni без магнитной самосборки и с ней. Столбики погрешностей представляют собой стандартное отклонение. c Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) изображения объемных композитов без магнитной самосборки и с ней.Также включены увеличенное изображение SEM и изображение энергодисперсионной спектрометрии (EDS), показывающее вертикально ориентированные частицы Ag-Ni. Масштабные линейки, 40  мкм. d Зависимость теплопроводности в плоскости от концентрации частиц Ag–Ni без магнитной самосборки и с ней. Столбики погрешностей представляют собой стандартное отклонение. e Кривые деформация-напряжение чистого ПДМС и композитов частиц Ag-Ni/ПДМС с магнитной самоорганизацией с различными концентрациями частиц Ag-Ni.

Кроме того, поскольку s-HC были пространственно структурированы в 1.2 × 1,2 мм 2 квадратных с использованием массива железных столбов расчетная концентрация частиц Ag-Ni в узорчатых s-HC составляла ~ 85 мас.% (дополнительный рисунок 3 и дополнительное примечание 1 для деталей). Точная теплопроводность наших узорчатых s-HC не может быть получена экспериментально из-за ограничений нашей измерительной системы с точки зрения минимальных размеров и сложности изготовления объемного композита, содержащего> 75  вес.% частиц Ag-Ni. Следовательно, K Thru-plane ~1.4 Вт м -1  К -1 для концентрации частиц Ag-Ni 85% масс. было извлечено из экстраполяции измеренных данных на рис. 2b. Эта теплопроводность сравнима с теплопроводностью ветви Bi 2 Te 3 (~ 1,9 Вт м −1  K −1 , см. паразитные потери тепла через эластомерный слой в линейном масштабе. Кроме того, наши s-HC хорошо сохраняли свою мягкость с модулем Юнга <10 МПа и деформацией разрушения >90% (рис.2e), демонстрируя лучшую растяжимость, чем большинство эталонных коммерческих термопрокладок (дополнительный рисунок 7). Эти результаты показывают, что способность теплопередачи нашего s-HC превосходит способности ранее зарегистрированных совместимых подложек (дополнительная таблица 3), таких как PDMS и спроектированный Ecoflex, и даже сравнима со свойствами коммерческих термопрокладок.

Улучшенные характеристики ТЭ с помощью s-HC

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

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

a , b Результаты конечно-элементного анализа (МКЭ), показывающие распределение температуры на поперечном сечении ТЭГ без ( a ) и с s-HC ( b ) для заданной разности температур 10 К. c , d Результаты МКЭ, показывающие напряжение холостого хода ( V OC ) 36-np-парных ТЭГ без ( c ) и с s-HC ( d ) для заданного разница температур 10 К. e , f Экспериментально измеренные ТЭ-характеристики 36-np-парных ТЭГ без ( e ) и с s-HC ( f ), показывающие зависимость тока и мощности от напряжения. г Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения отклика ТЭГ без и с s-HC. h С временным разрешением V OC двух ТЭГ при резком контакте алюминиевой чашки с горячей водой с двумя ТЭГ. Пунктирные линии представляют соответствующие результаты МКЭ. i Фотография, показывающая TEG, совместимый с парой 220 np. j Экспериментально измеренные ТЭ характеристики ТЭГ, совместимого с парой 220 np, включая ток и мощность в зависимости от напряжения. k Сравнение производительности носимых ТЭГ.

Долгосрочным спросом на носимые ТЭГ является надежная работа ТЭГ, совместимых с высоким уровнем FF.Используя наш масштабируемый и автоматизированный процесс изготовления, мы изготовили совместимый ТЭГ с ветвями 440 TE на площади 3,9 × 4,3 см 2 (рис. 3i). ТЭГ генерировал максимальную мощность 7,02 мВт и В OC 2,12 В при Δ Т Applied 40 К (рис. 3j). На рисунке 3k и в дополнительной таблице 3 показано сравнение производительности современных гибких/носимых ТЭГ 10, 20, 27, 35, 36, 37, 43, 44, 45, 46, 47 . Наш совместимый ТЭГ с s-HC показывает самое высокое нормализованное напряжение Зеебека на единицу площади, В OC , нормализованное по Δ T , и размер ТЭГ благодаря выдающейся способности теплопередачи s- HCs и высокие FF, достигаемые за счет автоматизированного процесса интеграции.Кроме того, он показывает самую высокую нормализованную плотность мощности, плотность мощности, разделенную на T 2 , чтобы исключить зависимость T , в группе растягиваемых ТЭГ. Значение 0,26 мкВт см −2  K −2 даже сравнимо с верхними рекордами предыдущих гибких ТЭГ с жесткими медными электродами, хотя некоторые из них показывают более высокое значение >1 мкВт см −2  K − 2 из-за высокой проводимости жестких медных электродов, что серьезно ухудшает прилегаемость ТЭГ.В частности, вместе с превосходной приспособляемостью наш ТЭГ, прикрепленный к коже человека, генерировал самую высокую максимальную плотность мощности (6,96 мкВт см -2 ) и В OC (266 мВ) среди ранее известных носимых ТЭГ на коже человека (дополнительное приложение). Рис. 12).

Выходная мощность нашего совместимого ТЭГ может быть дополнительно улучшена за счет уменьшения сопротивления модуля, которое состоит из сопротивлений ветвей ТЭ, растягиваемых электродов на основе AgNW и проводящих эпоксидных соединений между ними (дополнительный рис.13). «Сопротивление перехода» и «сопротивление электрода» составляют 77% и 19% от общего сопротивления модуля соответственно (дополнительная таблица 5). Таким образом, минимизация сопротивления обоих компонентов является ключом к повышению выходной мощности нашего совместимого ТЭГ. Более конкретно, сопротивление перехода можно снова разделить на три части: контактное сопротивление между эпоксидной смолой Ag и опорами TE, объемное сопротивление проводящей эпоксидной смолы и контактное сопротивление между проводящей эпоксидной смолой и электродом AgNW (дополнительный рис.14). Поскольку растягиваемые электроды основаны на композитном материале, где случайная сеть AgNW встроена в матрицу PDMS, большая часть поверхности состоит из матрицы PDMS, где AgNW частично открыты. Эта низкая плотность открытых на поверхности проводящих материалов увеличивает контактное сопротивление между электродами и проводящей эпоксидной смолой (дополнительный рисунок 15). Возможными решениями могут быть частичное травление PDMS для обнажения AgNW или использование межфазного слоя, такого как печатная металлическая тонкая пленка, между проводящей эпоксидной смолой и растягиваемыми электродами.Длина, диаметр и количество осажденных AgNW также являются важными параметрами для проводимости растягиваемых электродов и контактного сопротивления между проводящей эпоксидной смолой и электродами.

Механическая надежность соответствующего ТЭГ

Наши ТЭГ продемонстрировали высокую деформируемость и механическую надежность при растяжении по сравнению с теми, о которых сообщалось в предыдущей литературе, поскольку растяжимые электроды AgNW с низким модулем Юнга эффективно поглощают приложенное напряжение, а проникший ПДМС действует как буфер, предотвращающий разрыв каждой ноги в результате чрезмерной деформации.Для систематического анализа мы провели МКЭ распределения напряжений и деформаций на поверхности, содержащей межсоединения, когда наш ТЭГ с мягкими электродами AgNW и аналогичный ТЭГ с медными пластинчатыми электродами механически изгибались и растягивались. Когда они изгибались, на медных электродах возникало чрезвычайно высокое напряжение по сравнению с электродами на AgNW из-за высокого модуля Юнга медных пластин (~ 120  ГПа), что приводило к высокой жесткости на изгиб и ограниченной деформируемости (рис. 4a, б).Когда была применена деформация растяжения 20%, результаты FEA показали концентрированную деформацию> 250% на границах между PDMS и медными пластинами, что намного превышает деформацию разрушения PDMS, в то время как электроды AgNW поглощали внешнюю деформацию и сохраняли максимальная деформация <150% (рис. 4в, г). Мы также экспериментально продемонстрировали механическую надежность нашего ТЭГ, измерив изменение сопротивления (Δ R ) до начального сопротивления ( R 0 ) и характеристики ТЭ при различных условиях изгиба и растяжения.\(\frac{{{\Delta} R}}{{R_0}}\) ТЭГ оставался на уровне <50%, когда радиус изгиба ( r ) достигал ~ 11  мм (рис. 4e и дополнительный рис. 16). Сопротивление ТЭГ также было стабильным в течение 1000 циклов изгиба при r 15 мм (рис. 4f). V OC и мощность при Δ T Applied , равном 10 K, стабильно поддерживались даже после 10 000 циклов изгиба как по оси x (рис. 4g), так и по оси  2 y (рис. 4g) (рис. 4g). 4h и дополнительный рис.17). Кроме того, наш совместимый ТЭГ показал растяжимость до 20 % при \(\frac{{{\Delta} R}}{{R_0}}\) 160 % (рис. 4i) и высокую циклическую надежность при деформации 10 % (рис. 4j). В частности, в то время как гибкие ТЭГ используют наноструктурированные или тонкопленочные ТЭ материалы, например. поли(3,4-этилендиокситиофен) сульфонат полистирола (PEDOT:PSS) и углеродные нанотрубки (УНТ) подвергаются непосредственному механическому напряжению и, следовательно, подвержены влиянию деформации на коэффициент Зеебека 48,49 , объемный Bi 2 Ножки Te 3 , используемые в наших совместимых ТЭГ, полностью не деформируются при механических деформациях (рис.4в, г). Это связано с тем, что растягиваемые по своей природе электроды эффективно поглощают механическую нагрузку в результате большой разницы модулей Юнга между растягиваемыми межсоединениями и ветвями ТЭ. Следовательно, V OC нашего ТЭГ не изменились при приложении деформации растяжения (дополнительный рисунок 18). Этот эффект отсутствия деформации все еще действует, когда к ТЭГ прилагается деформация изгиба (дополнительный рисунок 19). Не было заметного изменения V OC нашего ТЭГ при одноосном (дополнительный рис.20) и условия двухосного изгиба (дополнительный рис. 21). Наш ТЭГ также продемонстрировал выдающуюся долговременную устойчивость к влажности от 1 до 384 часов (16 дней) даже в суровых условиях температуры и влажности (дополнительный рисунок 22).

Рис. 4: Механическая надежность соответствующего ТЭГ.

a Результаты МКЭ, показывающие напряжение фон Мизеса на поверхностях ТЭГ с медными пластинчатыми электродами и ТЭГ с мягкими электродами, залитыми AgNW, в условиях изгиба. b Напряжение по Мизесу поперечных сечений, обозначенных пунктирными линиями в a . c Результаты МКЭ, показывающие первую основную деформацию поверхностей двух ТЭГ при одноосной деформации 20 %. d Первая главная деформация поперечных сечений, обозначенных пунктирными линиями в c . e Изменение сопротивления в зависимости от расстояния между концами ТЭГ и его радиуса изгиба. На вставках показаны виды сбоку изогнутого ТЭГ для различных радиусов изгиба. Масштабная линейка, 2 см. f Испытание на циклический изгиб соответствующего ТЭГ, показывающее стабильную электрическую проводимость во время и после циклов изгиба с радиусом изгиба ( r ) ~15 мм.На вставке показано увеличенное изображение записанных данных. g , h Экспериментально измеренные характеристики TE 36-np-парного ТЭГ после различных циклов изгиба с разными направлениями изгиба по оси x ( g ) и по оси y ( h ) . Каждая вставка представляет собой оптическое изображение изогнутого ТЭГ с различными направлениями изгиба по оси x ( g ) и y ( h ) соответственно. Масштабные линейки, 1 см. i Изменение сопротивления в зависимости от одноосной деформации от 0 до 20 %. На вставках показаны податливые ТЭГ при деформации 0 и 20%. Масштабная линейка, 1 см. j Испытание ТЭГ на циклическое растяжение, показывающее стабильную электрическую проводимость во время и после циклов растяжения при деформации 10%.

Улучшенные характеристики ТЭ на трехмерных поверхностях за счет прилегания

Благодаря высокой степени механической свободы и мягкости s-HC с низким тепловым импедансом наш ТЭГ может образовывать конформный контакт с различными трехмерными источниками тепла, что приводит к значительному повышению ТЭ производительность на них.Чтобы четко продемонстрировать превосходную прилегаемость наших совместимых ТЭГ, мы изготовили эталонный ТЭГ (r-ТЭГ), состоящий из Bi 2 Te 3 TE ветвей и медных электродов, о которых широко сообщалось в предыдущих работах, и сравнили его деформацию при изгибе. с нашим совместимым TEG (c-TEG). r-TEG показал грубую и угловую деформацию на нижней поверхности и даже откололся от подложки PDMS из-за концентрированной деформации растяжения (рис. 5a). С другой стороны, c-TEG показал плавную и свободную деформацию (рис.5б). Более того, c-TEG сформировал идеальную окружность с радиусом 7 мм без перелома (рис. 5c). Чтобы систематически исследовать влияние улучшенной прилегаемости на характеристики ТЭ на трехмерных источниках тепла, мы выполнили МКЭ, сравнивая V OC r-TEG и c-TEG, которые прикреплены к изогнутому источнику тепла (рис. 5г, д). r-ТЭГ не может идеально охватывать криволинейную поверхность, что приводит к нежелательным воздушным зазорам, которые существенно затрудняют передачу тепла от источника тепла к нижней поверхности ТЭГ.Напротив, c-TEG идеально прилегает к изогнутой поверхности без воздушных зазоров, способствуя гораздо лучшей передаче тепла к ветвям ТЭ. Полученное В OC было ~ 243   мВ, что на ~ 600% выше, чем у r-TEG. Эти результаты FEA показывают, что наш подход может значительно повысить эффективность сбора энергии совместимых ТЭГ с трехмерными источниками тепла. Чтобы дополнительно продемонстрировать надежный сбор энергии на трехмерных поверхностях, мы прикрепили совместимый ТЭГ к различным положениям колоколообразной алюминиевой чашки с анизотропными кривизнами изгиба и отслеживали V OC ТЭГ, когда воду с температурой 78 °C заливали в чашка (рис.5е). ТЭГ генерировал максимум В OC ~340  мВ, и не наблюдалось существенной разницы во временном разрешении В OC в зависимости от положения крепления, что доказывает эффективный сбор тепла нашим совместимым ТЭГ независимо от формы источника тепла.

Рис. 5: Механическая прилегаемость соответствующего ТЭГ.

a , b Фотографии изогнутых ТЭГ, содержащих Bi 2 Te 3 ножки и медные электроды ( a ) и мягкие электроды на основе AgNW ( b ).На каждой вставке показано схематическое изображение вида сбоку каждого ТЭГ соответственно. Масштабные линейки, 5 мм. c Фотографии совместимых ТЭГ, демонстрирующих превосходную прилегаемость при различных деформациях. Масштабные линейки, 1 см. d , e Результаты МКЭ, демонстрирующие различные характеристики деформации и теплопередачи, соответствующие характеристикам ТЭ для ТЭГ с медными электродами ( d ) и мягкими электродами на основе AgNW ( e ). f Фотографии ТЭГ, прикрепленного к разным положениям (сверху, посередине и снизу) колоколообразной алюминиевой чашки.ТЭГ установил конформный контакт с трехмерной (3D) поверхностью алюминиевой чашки. Среднее схематическое изображение показывает кривизну анизотропного изгиба в каждом положении, в котором был прикреплен ТЭГ. На правом графике показано временное разрешение V OC ТЭГ, прикрепленного к трем положениям, когда горячая вода наливается в алюминиевую чашку. Масштабная линейка, 2 см.

Носимые устройства с автономным питанием

Чтобы продемонстрировать полностью автономное носимое устройство, которое выдает предупреждение о резком повышении температуры, вызванном нашим совместимым ТЭГ, мы разработали гибкую печатную плату (f-PCB) с повышающим преобразователь напряжения и пять светодиодов (LED) и интегрировали его с ТЭГ 220-np-пары (рис.6a, b и дополнительный рисунок 23 для деталей). При температуре Δ T Applied ~20 K ТЭГ вырабатывал ~1,8 мВт при 0,56 В, а выходное напряжение повышающего преобразователя составляло ~1,66 В при ~1,1 мВт, что было достаточно для включения светодиодов. . Примечательно, что наша система с гибкой схемой питалась только от совместимого ТЭГ без дополнительного источника питания. Минимальное значение Δ T Applied , необходимое для включения светодиодов, было рассчитано как ~ 13 K (дополнительный рисунок 24). На рисунке 6c показаны входное и выходное напряжения повышающего преобразователя и результирующая работа светодиода, когда ТЭГ был помещен на горячую пластину для достаточного Δ T Applied .Входное и выходное напряжения увеличивались до ~0,56 и ~1,66 В соответственно, мгновенно включая светодиоды после помещения ТЭГ на горячую пластину, а затем генерируемые напряжения постепенно снижались по мере достижения состояния теплового равновесия (рис. 6г). ). Кроме того, мы продемонстрировали «перчатки для предупреждения о горячей поверхности», интегрировав светодиодную систему с автономным питанием и световые маскировочные пакеты в перчатки для духовки (рис. 6e). Когда прикрепленные к ТЭГ перчатки использовались для захвата различных горячих предметов, таких как стеклянная бутылка и чайник, конформный контакт между нашим ТЭГ и 3D-поверхностями приводил к яркому знаку «H» из-за включения светодиодов без помощью внешней силы (рис.6f и дополнительный фильм 2). Эта демонстрация подчеркивает применимость нашего высокопроизводительного совместимого ТЭГ в практических носимых приложениях.

Рис. 6. Носимые устройства с автономным питанием и высокопроизводительным ТЭГ, соответствующим требованиям.

a Фотография ТЭГ большой площади и гибкой печатной платы (f-PCB) с повышающим преобразователем напряжения и пятью светодиодами (LED). Правая фотография — увеличенный вид f-PCB. Масштабная линейка, 2 см и 3 мм. b Принципиальная схема и оптическое изображение платы f-PCB для повышающего преобразования напряжения и работы светодиодов. Блок-схема показывает последовательность операций с выходным напряжением и мощностью после каждого блока. c Входное и выходное напряжения повышающего преобразователя при установке ТЭГ на горячую плиту. d Оптические и инфракрасные изображения в реальном времени соответствующего ТЭГ с повышающим преобразователем напряжения после помещения ТЭГ на горячую плиту. На фотографиях видно, что светодиоды включались сразу после контакта ТЭГ с нагревательной пластиной.Инфракрасные изображения показывают температуру верхней поверхности ТЭГ. Масштабные линейки, 2 см. e Схематическое изображение защитных перчаток от горячей поверхности с автономной светодиодной системой и световыми маскирующими пакетами. f Фотографии, показывающие демонстрацию перчаток с ТЭГ, когда они используются для захвата различных горячих предметов, таких как бутылка и чайник. На вставках показан увеличенный вид системы с автономным питанием и комплектов. Конформный контакт между перчатками, прикрепленными к ТЭГ, и трехмерными поверхностями источников тепла приводит к яркому знаку «H» без какой-либо помощи от внешнего источника питания.Масштабные линейки, 5, 5 см и 5 мм.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы

Джеффри М. Вайс


24 октября 2010 г.

Представлено в качестве курсовой работы по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

Рис. 1: Конфигурация термоэлектрического Модуль.

Рост цен на нефть, концерты о климате, и истощение наших природных ресурсов привлекли большое внимание к технология возобновляемой энергии.В 2007 году мир потреблял около 500 квадриллиона БТЕ энергии и, как ожидается, будет увеличиваться на 1,4% в год. [1] Около 90% этой энергии было получено за счет ископаемого топлива. сгорания с типичным КПД 30-40%. Остальные 60-70% энергия была потеряна в окружающую среду через выхлопные газы автомобилей, промышленные процессы и многое другое. [2] Крайне желательно использовать отводимое тепло для повышения общей эффективности преобразования энергии. энергия потерянного тепла может быть собрана и преобразована в электричество через термоэлектрический прибор.

Что такое термоэлектрик?

Термоэлектрики — твердотельные тепловые двигатели с свойства материалов, которые позволяют им преобразовывать отработанное тепло в электричество. Их фундаментальный принцип основан на носителях заряда: электроны в материалах N-типа и дырки в материалах P-типа имеют способность свободно перемещаться в металлах и полупроводниках. в при наличии градиента температуры носители заряда диффундируют от горячих к холодным, пока не установится равновесие между диффузионным потенциалом и потенциал электростатического отталкивания, приводящий к накоплению заряда носители, известные как эффект Зеебека.[3] Типичные термоэлектрические устройства состоят из чередующихся полупроводников P- и N-типа, соединенных электрически последовательно и термически параллельно (рис. 1). Это позволяет дырки и электроны текут в противоположных направлениях, образуя электрический ток для выработки электроэнергии. [4]

КПД термоэлектрического устройства близко связанные со свойствами полупроводникового материала. В идеале хороший термоэлектрический прибор должен вести себя как «фононное стекло», минимизируя теплопроводность для поддержания высокого температурного градиента, но и как «электрический кристалл», максимизирующий электропроводность и Коэффициент Зеебека [3].Термоэлектрическая эффективность часто описывается его добротностью ZT, которая является безразмерной единицей в зависимости от коэффициента Зеебека (α), абсолютной температуры (T), электропроводность (σ) и теплопроводность (κ): [3]

Рис. 2: Термоэлектрический КПД как функции ZT и температуры источника по сравнению с конкурентными тепловые двигатели. [7]

Чтобы термоэлектрическое устройство было конкурентоспособным с текущими методами производства электроэнергии, которым он должен обладать на ZT отлично, чем 3.Однако за последние пять десятилетий комнатная температура ZT материалов с нашей наилучшей доступной технологией лишь немного увеличился с 0,6 до примерно 1,0. [5] Существуют материалы с «фононным стеклом». или свойства «электрического кристалла», однако получая оба этих одновременно является вызовом. Возникают вопросы, что Зеебек коэффициентом, а также свойствами тепло- и электропроводности. осуществляется потоком электронов, который проводит как тепло, так и заряд. Простое увеличение электропроводности одновременно с уменьшением коэффициент Зеебека и увеличивает теплопроводность, ограничивая потенциальное улучшение ZT для сыпучих материалов.Лучшее выступление материалы для оптимизации ZT, как правило, представляют собой сильно легированные полупроводники. [4]

Современные термоэлектрические исследования исследуя новые материалы, чтобы независимо адаптировать эти свойства. Теоретические улучшения ZT существуют при развязке коэффициента Зеебека. от электропроводности с использованием инженерных гетероструктур и независимое снижение теплопроводности при высоком атомном весе и наноструктурные материалы. [3,5] Отчеты показывают, что как 100-кратное снижение теплопроводности кремниевых нанопроволок, тем самым открывая дверь для значительных улучшений в ZT.[2,6] Несмотря на все эти усилия, было только три сообщения о дает ZT больше 2, включая лучший ZT примерно 3,5 при 575 ° К. Переход от этих лабораторных результатов к собственно приборам не представляется вероятным в ближайшем будущем. [7]

Термоэлектрический рынок

К сожалению, термоэлектрический КПД (электрический мощность, производимая на отработанном тепле в) в настоящее время составляет лишь около 1/6 от максимальная эффективность Карно. Как показано на рис. 2, сравнение термоэлектрический КПД в зависимости от ZT и рабочего температура сравнивается с несколькими распространенными тепловыми двигателями.Для термоэлектрики борются с технологиями крупномасштабного производства энергии (> 1000 кВт), например, для солнечного теплового двигателя потребуется ZT от 8 до 20, что не может быть конкурентоспособным в любое время скоро. [7] Кроме того, помимо низкой эффективности, стоимость ватта мощность, генерируемая современными термоэлектриками, была относительно слишком высокой. даже помочь в крупномасштабном производстве энергии. [4]

Рис.3: Влияние КПД на мощность размер поколения. [7]

Хотя маловероятно, что термоэлектрический устройства будут играть роль в крупномасштабном производстве энергии, они действительно некоторые преимущества перед современными технологиями. Их твердотельная технология предлагает несколько больших преимуществ по сравнению с другими технологиями. Они производят электрическую энергию без движущихся частей, что делает их бесшумными и очень надежны, а также сокращают эксплуатацию, техническое обслуживание и потенциально капитальные затраты.Это позволяет размещать их в суровых или удаленные среды, где надежность оправдывает их более низкую эффективность и более высокие затраты [4]. Однако самым большим преимуществом, которое Преимуществом термоэлектрических устройств является их масштабируемость. Типичный уголь или другие механические двигатели значительно теряют эффективность, поскольку они уменьшены в размерах или уровне мощности, как схематично показано на рис. 3. Тем не менее, термоэлектрики сохраняют свою эффективность независимо от уровня мощности. даже на милливаттном уровне. Это приводит к точке пересечения, где термоэлектрические устройства на самом деле более эффективны.Увеличение ЗТ только расширит область применения термоэлектриков. более эффективным. [7]

Рекуперация отработанного тепла автомобиля наибольший потенциал для реализации термоэлектрических генераторов, улучшающих топливо экономики и сохранения природных ресурсов. [4] Внутреннее сгорание двигатель типичных транспортных средств довольно неэффективен, используя около 25% энергия, вырабатываемая в процессе сгорания топлива. [8] Остальное энергия теряется в виде отработанного тепла через трение, охлаждающую жидкость и выхлопные газы. газ.Около 40% можно собрать, так как он выходит из выпускного коллектора на средняя температура выше 600 °К. Термоэлектрический прибор с ZT 1.25 будет иметь КПД около 10% и может использоваться для генерации полезную мощность непосредственно на работу транспортного средства. [4] Это может увеличить эффективность использования топлива до 16%.

Пассажирские перевозки в 2007 г. (5,75 х 10 19 джоулей, или 54,5 квадриллиона БТЕ) приходится примерно 30% всего мирового потребления жидкого топлива (1.92 х 10 20 джоулей, или 182,3 квадриллиона БТЕ) [1]. Ожидается, что к 2035 г. расход топлива на пассажирские перевозки увеличится до примерно 70,6 квадриллиона БТЕ [1]. Если бы каждое транспортное средство реализовало 10% эффективные термоэлектрические генераторы, это уменьшит пассажиропоток расход транспортного топлива на 16%. В будущем, если термоэлектрические смогли достичь ZT больше, чем 4 они должны были бы КПД около 30%, что сравнимо с солнечной энергией. Если бы это были установленные на каждом транспортном средстве, они приведут к 50% снижение расхода топлива пассажирским транспортом.

Заключение

Термоэлектрические генераторы — интригующий способ генерировать возобновляемую энергию непосредственно из отработанного тепла. Однако их эффективность ограничена из-за их тепловых и электрических свойств находясь в зависимости друг от друга. Тем не менее, их твердотельные масштабируемые технология делает их привлекательными и даже более эффективными в селективной Приложения. Внедрение термоэлектрических генераторов на выхлопных газах автомобилей коллекторы помогут снизить расход топлива, что, в свою очередь, поможет сохранить мировые природные ресурсы и сократить выбросы углерода.

© Джеффри М. Вайс. Автор предоставляет разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, со ссылкой на автора, только в некоммерческих целях. Все другие права, включая коммерческие права, сохраняются за автор.

Каталожные номера

[1] International Energy Outlook 2010 , (США) Управление энергетической информации, 2010 г.).

[2] А. И. Хохбаум, «Расширенный термоэлектрический Производительность необработанных кремниевых нанопроводов», Nature 451 , 163 (2007).

[3] Г. Дж. Снайдер, «Сложные термоэлектрические материалы». Природные материалы 7 , 105 (2008).

[4] Л. Э. Белл, «Охлаждение, обогрев, генерация энергии, и рекуперация отработанного тепла с помощью термоэлектрических систем», Science 321 , 1457 (2008).

[5] А. Маджумдар, «Термоэлектричество в полупроводниковых наноструктуры», Наука 303 , 777 (2004).

[6] А. И. Букай, «Кремниевые нанопроволоки как эффективные Термоэлектрические материалы», Nature 451 , 168 (2008).

[7] CB Vining, «Неудобная правда о Термоэлектрики», Nature Materials 8 , 83 (2009).

.

[8] С. Ю. «Термоэлектрические автомобильные отработанные тепловые электростанции. Восстановление энергии с использованием отслеживания точки максимальной мощности», «Преобразование энергии». и Управление 50 , 1506 (2009).

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.