Закрыть

Электричество от тепла: Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество

Содержание

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.

14219

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.

Facebook142Вконтакте19WhatsAppTelegram


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

Энергия тепла и холода: зачем нужны термоэлектрики | Мнения

Такого же типа устройства могут быть использованы в ЖКХ. Если в доме имеются нагревательные системы, значит есть и условия для создания разницы температур. А термоэлектрические материалы уже преобразуют избыточную часть тепла в дополнительное электричество. Правда, пока они это делают с очень малым КПД (6–7%).

Но и этого может хватить для обеспечения энергией телевизора или компьютера.

Термоэлектрические материалы были открыты довольно давно. Сначала немецкий ученый Томас Иоганн Зеебек обнаружил взаимосвязь между теплом и электричеством. Затем термоэлектрические явления более подробно изучил французский физик Жан Пельтье. Сумма законов Зеебека и Пельтье послужила основой для первого экспериментального наблюдения термоэлектрического эффекта. Его в середине XIX века произвел российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он взял спай из проволок висмута и сурьмы, поместил на него каплю воды, пропустил электричество, и капля замерзла.

С тех пор прошло довольно много времени, прежде чем термоэлектрические материалы нашли практическое применение. Произошло это благодаря нашему соотечественнику академику Абраму Федоровичу Иоффе, который еще в 1940-е годы высказал идею, что термоэлектрические материалы из очень тяжелых элементов могут быть достаточно эффективны для применения. Иоффе предложил два соединения: теллурид висмута и теллурид свинца. Свои работы он опубликовал на рубеже 1940-1950-х годов, после чего началось развитие исследований в области термоэлектрических материалов с целью создать своего рода отрасль промышленности, которая эти термоэлектрические материалы будет выпускать.

Для того чтобы определить, насколько велика эффективность тех или иных термоэлектрических материалов, нужна была система измерения. И тогда придумали такую безразмерную величину, которая называется «добротность термоэлектрического материала». Она учитывает эффект передачи носителей заряда и эффект передачи носителей тепла в одном соединении.

Для соединений, предложенных академиком Иоффе, величина добротности составила примерно 0,6. Благодаря усилиям по легированию, допированию этих соединений, они за довольно короткое время были доведены до большей эффективности, равной уже 0,9, и началось промышленное производство.

С тех пор все попытки улучшить эффективность термоэлектрического материала были бесплодными, пока в середине 90-х годов XX века новую идею не выдвинул Слэк, американский физик из Ренселеровского политехнического университета. Он сказал, что раз огромную роль играют два процесса: транспорта носителей зарядов, то есть электронов или дырок, и транспорта фононов, то есть транспорта тепла, — то нужно создать такое соединение, в котором эти два типа транспорта будут разделены.

И он придумал концепцию с названием «фононное стекло — электронный кристалл».

На базе этой концепции, которая уточнялась, видоизменялась (превратившись в «фононную жидкость и электронный кристалл»), в течение последних 15 лет были созданы новые термоэлектрические материалы. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но, если суммировать все, что мы имеем на сегодняшний день, то для того чтобы создать холод под действием электричества, нет ничего лучше теллурида висмута. А вот для того чтобы создавать электричество под действием температур в диапазоне 200-600 градусов, были найдены новые соединения.

Вопрос в том, как довести эти соединения до промышленных технологий.

Чем эти новые соединения интересны? Например, они не содержат такого элемента, как теллур, который является одним из самых редких элементов на Земле. А до сих пор без теллура не обходится производство ни одного термоэлектрического материала. То есть появилась возможность заменить его на более доступные вещества: железо, медь, сурьму, никель, серу, селен.

Появились и новые направления использования термоэлектрических материалов. Еще в 50-е — начале 60-х годов XX века их стали использовать в космосе. Идея заключалась в том, что тепло, необходимое для работы термоэлектрического материала, должен дать радиоактивный источник. Были созданы такие устройства, в которых образец плутония, саморазогреваясь, давал достаточно тепла для того, чтобы на автономных системах — спутниках, космических объектах — работали термоэлектрические материалы и давали бортовое питание.

Сегодня мы хорошо понимаем, что использование радиоактивных материалов небезопасно и уж никак нельзя перенести этот опыт на то, что мы называем объектами народного хозяйства или объектами быта — безопасность здесь превыше всего. Тем не менее, существуют идеи использования альтернативных источников тепла (например, инфракрасного излучения Солнца) для работы термоэлектрических материалов и преобразования тепловой энергии в электрическую.

На сегодняшний день ведется много разработок по всему миру, в том числе в МГУ и питерском Физтехе. Они показывают, что идеи, выдвинутые Слэком в середине 1990-х годов, все еще живы, и на их основе можно создать новые термоэлектрические материалы с более высоким КПД.

Уровень развития термоэлектрических разработок пока таков, что весь рынок составляет порядка $6 млрд в год, и его сильного увеличения пока не предвидится. Тем не менее, эффективность термоэлектрического материала, как материала, который работает, по сути дела, автономно, обеспечивая небольшое, но заметное замещение углеводородных источников энергии, нельзя сбрасывать со счетов.

Ученые разрабатывают одежду, которая умеет генерировать электричество

Представьте, что ваша футболка могла бы заряжать ваш телефон во время утренней пробежки. Звучит, как фантастика, но на самом деле это вполне реально — главное, надеть правильную футболку.

Ученые разрабатывают одежду, которая умеет генерировать электричество

Вероника Елкина

Исследователи Малагского университета и Итальянского технологического института разработали футболку, которая может вырабатывать электричество за счет разницы между температурой тела ее владельца и окружающей среды. Она может превращать тепло, которое выделяет ваше тело во время пробежки, ходьбы или занятий спортом, и разницу между этим теплом и более прохладной температурой воздуха в тепловую энергию.

Тепловая энергия окружает нас повсюду — ее вырабатывает солнце, когда нагревает атмосферу, и конфорка, нагревающая кастрюлю с водой. Есть и избыточное тепло — то есть, неиспользуемое тепло, которое выбрасывают в атмосферу машины, электрические процессы и даже люди. Все это неиспользуемое тепло можно превратить в тепловую энергию.

Для использования такого тепла нужен термоэлектрический эффект, который позволяет конвертировать разницу температур в электрическое напряжение. Если подключить два проводника и нагреть один из них, то электроны начнут перемещаться к холодному концу, создавая ток. Некоторые материалы могут быть проводниками и превращать разницу температур в энергию. Футболка, разработанная исследователями, делает именно это — собирает тепло, исходящее от тела, которое контрастирует с температурой воздуха, и производит из него электричество.

Обычно термоэлектрические материалы собирают излишки тепла, производимые автомобилями или промышленными процессами. Самые распространенные материалы, которые используются для превращения тепловой энергии в электрический ток, являются довольно редкими и не слишком безопасны для окружающей среды (например, теллур — материал, по редкости не уступающий золоту и платине). Такие материалы очень дорогие, жесткие и ядовитые, поясняет Хосе Алехандро Хередия, работник кафедры молекулярной биологии и биохимии в Малагском университете и один из авторов проекта. Поэтому они не подходят для создания одежды.

Фото: Малагский университет

Хередия и другие исследователи хотели создать «гибкий, биоразлагаемый и пригодный для носки материал, который способен генерировать электричество просто за счет разницы между температурой тела и окружающей среды». Поэтому они использовать дешевую замену популярным материалам, например, углеродные наночастицы.

Нужно было как-то прикрепить этот материал к частицам — для этого исследователи взяли томатную кожуру. «Можно сказать, это биологический клей, — объяснил Хередия. — Кроме того, кожура представляет собой дешевые отходы пищевой промышленности. Так что мы даем им вторую жизнь».

В итоге у исследователей получился раствор из кожуры томатов и углеродных наночастиц, который можно распылить на обычную футболку и получить «электронную ткань». Тестирование показало, что раствор неплохо выдерживает стирку, но в будущем ученые сделают улучшенную версию, которая сможет пережить полный цикл стирки и глажки.

Чтобы показать работу электронной ткани исследователи прикрепили к футболке провода с помощью электропроводной ленты. В итоге футболка смогла включить светодиод. Пока что ткань не может хранить вырабатываемую энергию, но исследователи собираются решить в будущем эту проблему.

«Мы считаем, что такую ткань можно использовать для выработки электричества в экстремальных ситуациях (например, в космосе или на военных заданиях), — говорит Хередия. — Но, возможно, если ее доработать, то электронной ткани найдется применение в индустрии моды». В ткань можно встроить дополнительные элементы — например, лампочки, сенсоры и Wi-Fi.

Исследователи разрабатывают способ, с помощью которого электронная ткань будет заряжать мобильные телефоны или светиться. Такая технология может пригодиться в сфере носимых устройств, обеспечивая питание медицинским сенсорам, умным часам и слуховым аппаратам. Термоэлектрическая ткань, способная охлаждать тело владельца, может использоваться для создания спортивной одежды, офисной мебели и даже автомобильных кресел. Исследователи шутят, что однажды из такой ткани можно будет сделать даже нечто вроде костюма Железного человека.

Источник.

Электричество из тепла | АРГУМЕНТ

Версия для печати

Термоэлектрические генераторы могут работать десятки лет, используя только тепло, которое в современной технике в основном расходуется без всякой эффективности. От партизанских котелков до космических аппаратов: что такое термоэлектрики и как их используют.

Область Томбо - огромный кратер на Плутоне, заполненный кристаллическим азотом, пишет Тиждень. На фотографиях она немного светлее окружающего ландшафта и из-за характерной формы названа сердцем Плутона. Одна из самых узнаваемых фотографий уходящего десятилетия, сделанная в июле 2015 года аппаратом New Horizons, который питается благодаря термоэлектрическому эффекту. По сути, он получает электрическое напряжение из тепла.

В тему: Автоматическая межпланетная станция New Horizons передала снимки с изображением Плутона

Персонаж Мэтта Дэймона в фильме «Марсианин» нашел аппарат Pathfinder. Двигатель марсохода с несколькими граммами плутония-238 все еще работал, и герой использовал его для установления связи с Землей. Сам марсоход питался через солнечную батарею. Он весил всего 10 кг, тогда как более совершенный Curiosity, запущенный в 2011 году, уже имел массу 899 кг. Солнечного света на Марсе мало для питания такого большого аппарата, к тому же из-за пылевых бурь марсоход мог не получать и той энергии. Curiosity собирал научные данные и постил селфи в Twitter благодаря радиоизотопному термоэлектрическому генератору (РИТЭГ), который в начале миссии обеспечивал мощность 125 Вт.

РИТЭГ изобрели в 1954 году работники Маундовской лаборатории Кен Джордан и Джон Бьорден. Эта лаборатория была частью американских научных мощностей, которые использовали для разработки ядерного оружия во времена холодной войны. Генератор переводил тепло, образовавшееся в результате распада радиоактивного элемента, в электроэнергию благодаря термоэлектрическому эффекту. Перспективное изобретение взяли на вооружение сначала военные, а затем и исследователи NASA. Такие генераторы питали миссии Pioneer 10 и Pioneer 11, оба Voyager, New Horizons. Voyager работают уже 42 года, они пересекли границу Солнечной системы и стали самыми отдаленными искусственными объектами в истории человечества, а их генераторы, как предполагается, будут работать до 2025 года, когда тепла из-за уменьшения массы плутония-238 станет мало. Одной из версий взрыва 8 августа этого года на полигоне вблизи российского Северодвинска, приведшего к повышению радиоактивного фона, является как раз использование РИТЭГ для испытания ракеты «Буревестник».

Термоэлектрический эффект, который лежит в основе работы РИТЭГ, открыл еще в 1822 году Томас Зеебек. Он спаял пластины из висмута и меди, а нагрев место контакта - заметил отклонение стрелки компаса вблизи него. Так ученый изобрел термопару - цепь из спаянных с одного конца проводников, которые замыкаются на измерительном приборе. Контакты держат при различных температурах, и между ними возникает электрическое напряжение. Чем больше нагрет горячий контакт термопары, то оно выше. Эти приборы просты и чаще всего их используют для измерения температур в диапазоне свыше 2000 градусов.

Термоэлектрический модуль на основе бумаги из нанотрубок

Обратное эффекту Зеебека явление исследовали в 1830-х Жан Пельтье и Эмилий Ленц. Последний располагал каплю воды у контакта висмута и сурьмы и наблюдал, что с ней происходит, если прикладывать напряжение к металлам. При прохождении через контакт тока в разных направлениях капля то превращалась в лед, то испарялась. Ленц сделал вывод, что от направления тока зависит, будет ли нагреваться или охлаждаться контакт.

Эффект Зеебека объясняется несколькими физическими принципами. В результате повышения температуры в одном из проводников электроны (или «дыры» - носители заряда в полупроводниках, если их используют для термопары) становятся подвижными и передвигаются в зону с меньшей температурой. Нагретый конец цепи становится положительно заряженным, а холодный из-за миграции электронов - отрицательно заряженным, между концами термопары появляется электрическое напряжение. Также у материалов разные энергии Ферми - это наибольшая энергия, которую имеют электроны при нулевой температуре. В зоне спая они выравниваются, и нагрев одного из металлов приводит к тому, что электроны, занимающие больший энергетический уровень, движутся в зону с меньшим потенциалом, и через термопару проходит ток. В эффекте Пельтье электроны должны преодолеть разность потенциалов в спайке термопары. И в зависимости от направления своего движения они или впитывают тепло, становясь более подвижными и охлаждая спай, или отдают избыточную энергию и тогда контакт нагревается.

Термоэлектрический эффект позволяет непосредственно превратить тепло в электрическую энергию. При обычном способе получения энергии на тепловых или атомных электростанциях энергия топлива превращается в тепловую. Вследствие, например, испарения воды она превращается в механическую энергию в турбине, а турбина уже запускает генератор электрической энергии. Именно отсутствие подвижной части - турбины - и делает термоэлектрические батареи такими надежными, что они могут работать в космосе десятки лет.

В тему: 10 технологий изменят наш мир в ближайшее время

Кроме получения энергии в экстремальных условиях устройства на основе термоэлектриков используют в системах охлаждения: бытовых холодильниках и промышленных холодильных системах. Автомобильные компании испытывают термоэлектрические генераторы: от 60% тепла, которое генерируют двигатели внутреннего сгорания, тратится впустую. Превращение его части в электрическую энергию позволит уменьшить использование топлива до 10%. Термоэлектрические микромодули применяют в микроэлектронике. Они работают даже при разнице температур всего 10 градусов. Некоторые компании предлагают термоэлектрическую зарядку для смартфонов для туристов - подпитывается она от обычного костра. Разработанный во время Второй мировой войны в Ленинграде термоэлектрический котелок работал благодаря разности температур между кипятившейся водой (100°С) и очагом (300-400°С). Такие котелки использовали партизаны и разведчики, чтобы заряжать рации и вести радиопередачи из глухих лесов.

Типичная термопара. Один спай поддерживается при высокой температуре T1, а другой присоединен к измерительному устройству при низкой температуре T2

Требования к термоэлектрическим материалам достаточно высоки. Они должны одновременно хорошо проводить ток и плохо - тепло. Редкое сочетание, ведь эти два свойства тесно связаны. То, насколько хорошо такие материалы превращают тепло в электрическую энергию, характеризуется коэффициентом ZT. Лучшие соединения на основе теллурида висмута имеют ZT в интервале от 2,5 до 2,8. Около 300 лабораторий по всему миру работает над повышением коэффициента, в частности в черновицком Институте термоэлектричества НАНУ. В ноябре в журнале Nature вышла статья ученых из Венского технологического института, которые изобрели материал с рекордными термоэлектрическими свойствами. Тонкая пленка из сплава железа, ванадия, алюминия и вольфрама показывает термоэлектрический коэффициент до 6. По мнению руководителя проекта профессора Эрнста Байера, она пригодится для устройств интернета вещей. В сложных системах из многих объединенных устройств трудно провести питание ко всем элементам, поэтому у каждого из них должен быть собственный источник энергии. Например, из термоэлектрической пленки.

Так как висмут и теллур довольно редкие материалы, к тому же токсичные, им ищут замену. Перспективный термоэлектрик - селенид олова. В 2013 году ученые показали, что при температуре выше 500°С он может конвертировать 20% тепла в электроэнергию. То есть генерирует 20 Вт энергии от тепла мощностью 100 Вт. При такой температуре в материале меняется кристаллическая структура, что приводит к уменьшению теплопроводности, а вот электрические свойства остаются те же: он идеально подходит под два условия хорошего термоэлектрика. В этом году исследователи из Германии установили, что большое давление (около 100 тыс. атмосфер) обеспечивает такой же эффект в селениде олова и при комнатной температуре. В перспективе это поможет заменить редкие висмут и теллур на распространенные материалы.

В тему: Ткань и одежда будущего

Исследователи из Института материаловедения в Барселоне, вписавшись в тренд на экологически безопасные материалы, изобрели в этом году термоэлектрическую «бумагу». Она максимально экологична, «выращивается» в лаборатории бактериями, которые помещают в наполненную сахаром и углеродными нанотрубками среду. «Бумага» стабильна до 250°С и гибкая. В своей статье в журнале Energy & Environmental Science ученые продемонстрировали, как она работает даже при сильной деформации.

Поиск термоэлектриков с большим коэффициентом ZT - среди основных задач современного материаловедения. Если удастся найти дешевые заменители теллурида висмута с лучшими свойствами, термоэлектрики станут одним из двигателей развития микроэлектроники, а также альтернативных источников энергии. Ведь термоэлектрические генераторы могут работать десятки лет, используя только тепло, которое в современной технике в основном расходуется без всякой эффективности.

Олег Фея,  опубликовано в издании Тиждень

Перевод: Аргумент


В тему:

 

 

Космический холод превратили в электричество - Наука

Инженеры из США и Японии представили устройство, которое может получать электроэнергию из космического холода. Пока речь идет об очень малой мощности в десятки нановатт, но теоретически подобным способом можно получать и вполне значимые на практике 4 ватта с квадратного метра.

Солнечные батареи становятся все дешевле и эффективнее. Их цена каждый год падает на несколько процентов, а КПД массово выпускаемых фотоэлементов достиг 20%, и ежегодно он прибавляет несколько десятых процента. Солнечных батарей становится все больше, но у этой отрасли альтернативной энергетики есть принципиальный недостаток — она не выдает электричество по ночам.

Исследователи из США и Японии описали в журнале Applied Physics Letters устройство, которое позволяет получать электроэнергию за счет темноты и холода ночного неба. Идея, лежащая в основе изобретения, очень проста: днем поток энергии идет от Солнца к предметам на поверхности Земли, а ночью нагретые днем предметы отдают тепло в космическое пространство. А там, где есть поток тепла, его можно использовать для генерации электричества за счет тех или иных устройств — от классических тепловых машин до разного рода термоэлектрических преобразователей.

Классическая тепловая машина — это концепция в термодинамике, которая описывает универсальное устройство с нагревателем и холодильником. Примеры таких машин, где нагревание обеспечено сгорающим топливом, а охлаждение — окружающей средой, — это двигатель внутреннего сгорания, паровая машина, реактивная турбина. Если заменить сгорание топлива иным источником энергии, суть не поменяется, полезная работа будет получаться за счет потока тепла от горячего к холодному.

Для того чтобы их устройство могло отдавать тепло возможно большей площади неба, ученые использовали большое параболическое зеркало. Образно говоря, оно фокусировало темноту. В фокусе зеркала находился фотодиод, который днем работал как солнечный фотоэлемент, а ночью остывал за счет испускания инфракрасных лучей в ночное небо. Температура фотодиода в результате оказывалась ниже, чем у нагревшейся за день металлической подложки под ним. Этой разницы оказалось достаточно для получения электричества.

Схема установки, которую собрали исследователи. Masashi Ono

Преобразовать разницу температур фотодиода и подложки в электричество позволил элемент Пельтье, давно известное полупроводниковое устройство. При пропускании электрического тока одна сторона его нагревается, а другая остывает (этот эффект используют в компактных холодильниках). При нагреве одной стороны и охлаждении другой элемент Пельтье, напротив, выдает электрическое напряжение.

Расположив такое устройство в своей установке, ученые смогли получить немного электроэнергии из ночного холода. Как отмечают авторы, «можно собирать приходящее излучение, а можно использовать исходящее. В результате получается очень красивая симметрия в рамках оптоэлектронных технологий».

Читайте также: Темная сторона «зеленой» индустрии. «Критические географы» продемонстрировали, какими средствами ветроэнергетика подминает под себя окраины Дании

В первом проведенном эксперименте исследователи получили ничтожно малую мощность — десятки нановатт с квадратного метра. Этого мало даже для самых нетребовательных приборов. Но теоретические расчеты показывают, что мощность можно поднять вплоть до 4 ватт на квадратный метр. Современная солнечная батарея днем может выдать с той же площади до 200 ватт, но 4 ватта все равно больше, чем ноль.

Авторы работы предполагают, что их устройство, должным образом усовершенствованное, может быть не только частью теоретической работы. В частности, его можно будет использовать для того, чтобы превращать в электроэнергию тепло от нагревающихся станков. 

Пироэлектрическая нанопленка превратит тепло от электрического тока снова в ток

Shishir Pandya

Американские ученые получили пироэлектрический материал, преобразующий тепловую энергию в электрическую с рекордными значениями плотности энергии и коэффициента полезного действия. Этот материал представляет собой пленку сегнетоэлектрического релаксора толщиной 150 нанометров и в будущем его можно использовать для повышения эффективности потребления энергии, пишут ученые в Nature Materials.

Чтобы повысить эффективность потребления энергии, обычно стремятся свести к минимуму все ее возможные потери. Для этого можно или повышать эффективность первичного использования энергии, или каким-то образом использовать вторичную энергию, не использованную изначально. Один из вариантов второго подхода — использование тепловой энергии, которая выделяется в электронных устройствах. Поскольку на ненужный разогрев тратится до 70 процентов всей энергии, разработка эффективных способов преобразования тепла — актуальная проблема для современной энергетики развитых стран. Обычно для этого предлагают использовать термоэлектрические устройства, которые преобразуют в электричество разницу температур или более сложные устройства, например термогальванические ячейки, однако в поиске более эффективных методов ученые иногда предлагают и другие материалы и методы.

Американские ученые под руководством Лейна Мартина (Lane W. Martin) из Калифорнийского университета в Беркли разработали новый способ эффективного преобразования тепла, которое выделяется в проводах, в электрический ток. Для этого они предложили использовать пленку из материала, который на треть состоит из титаната свинца, а на две трети — из смешанного ниобата свинца и магния. Этот материал обладает свойствами сегнетоэлектрического релаксора, то есть при определенной температуре может переходить в поляризованное состояние, при этом такой переход происходит не скачком, а сильно растягивается по температуре. За счет этого материал можно использовать как пироэлектрик, то есть при нагревании в нем происходит разделение зарядов и возникает разность потенциалов.

Исследователи предложили использовать для преобразования тепла не объемный материал, а пленку толщиной всего 150 нанометров, что дает возможность для применения подхода в широком диапазоне температурных колебаний и электрических напряжений. Предложенную концепцию ученые проверили с помощью специального многослойного устройства, в котором можно было измерять пироэлектрический, сегнетоэлектрический и диэлектрический отклик материала в ответ на изменение температуры, а также при приложении внешнего электрического поля.

Схема устройства, в котором выделяющееся тепло используется для получения электрического тока. Пироэлектрическая пленка обозначена розовым цветом

S. Pandya et al./ Nature Materials, 2018

Результаты экспериментальных измерений показали, что использованный учеными материал значительно превосходит другие использующиеся для подобных целей пироэлектрики: его пироэлектрический коэффициент доходит до ​550 микрокулонов на квадратный метр при увеличении температуры на один градус. Кроме того, оказалось, что его пироэлектрический эффект можно контролируемо увеличивать за счет внешнего электрического напряжения. В результате ученым удалось достичь рекордных показателей для пироэлектрических материалов сразу по нескольким параметрам: плотность энергии достигла 1,06 джоуля на кубический сантиметр, плотность мощности — 526 ватт на кубический сантиметр. Эффективность этого материала тоже оказалась максимальной — 19 процентов от КПД цикла Карно. Эти показатели очень близки к параметрам лучших термоэлектрических материалов при разнице температур в 10 градусов.

Ученые отмечают, что следующим этапом работы станет оптимизация геометрии самой пленки и всего устройства для работы с реальными тепловыми потоками от проводящих элементов различных устройств. Однако исходя из полученных данных уже сейчас можно утверждать, что такие пироэлектрические пленки могут стать одним из наиболее эффективных материалов для преобразования вторичного тепла в полезную энергию.

Использованные учеными сегнетоэлектрические релаксоры — довольно необычный класс материалов, свойства которых до конца не изучены. Например, до сих пор не определена точная причина необычного растянутого фазового перехода релаксоров. Недавно ученые обнаружили, что это явление может быть связано с градиентной сменой упорядоченных и неупорядоченных с точки зрения химического состава областей внутри кристалла.

Александр Дубов

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.

14219

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 показателях 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 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 обычно идут рука об руку электро- и теплопроводность.

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 эффективно работает, что его можно использовать для 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 посылает акустические волны, заставляя вибрировать пьезоэлектрический материал внутри сенсора. В результате возникает колебательный электрический ток, через сенсор которого отражается модифицированный акустический сигнал обратно в приемник.

Facebook142Вконтакте19WhatsAppTelegram


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 одним или двумя холодильными агрегатами.

Тепловая часть тригенерационной установки на 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 регулярный избыток тепла.

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

Применение тригенерации

широко используется в пищевой промышленности, где существует потребность в холодной воде для использования ее в технологических процессах. Например, в летний период пивоварни использовать 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, которая увеличивает суммарный КПД когенерационной установки и повышает коэффициент ее мощностных ресурсов.

Тригенерационная установка может быть предлагаем 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 системой 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 большинством современных технологий производства тепла приводят к высокой степени загрязнения атмосферы.

Тригенерация, которая использует комбинированное производство электрической и тепловой энергии, сегодня является 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 устройством энергии, которое позволяет использовать избыточную тепловую энергию, которая обладает очень низкой себестоимостью;
  • Произведенная электрическая энергия может быть подана в общую электросеть или установку для собственных нужд;
  • Тепло может быть использовано для использования 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 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 внедрения 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 проектов решений позволяют специалистам компании решать задачи любой сложности по теплоснабжению любых объектов.

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

Электричество из тепла | АРГУМЕНТ

Версия для печати

Термоэлектрические генераторы работают десятки лет, используя только тепло, которое в основном в основном расходуется без всякой эффективности.От партизанских котелков до космических аппаратов: что такое термоэлектрики и как их используют.

Область Томбо - огромный кратер на Плутоне, заполненный кристаллическим азотом, пишет Тиждень . На фотографиях она немного светлее окружающего ландшафта и из-за характерной формы названа сердцем Плутона. Одна из самых узнаваемых фотографий уходящего десятилетия, сделанная в июле 2015 года аппаратом New Horizons, который питается благодаря термоэлектрическому эффекту. По сути, он получает электрическое напряжение из тепла.

В тему: Автоматическая межпланетная станция New Horizons передала снимки с изображением Плутона

Персонаж Мэтта Дэймона в фильме «Марсианин» нашел аппарат Следопыт. Двигатель марсохода с использованием граммов плутония-238 все еще работал, и герой использовал его для связи с Землей. Сам марсоход питался через солнечную батарею. Он весил всего 10 кг, тогда как совершенный Curiosity, запущенный в 2011 году, уже имел массу 899 кг. Солнечного света на Марсе мало для питания такого большого аппарата, к тому же из-за пылевых бурь марсоход мог не получать и той энергии.Curiosity собирал научные данные и постил селфи в Twitter благодаря радиоизотопному термоэлектрическому генератору (РИТЭГ), который в начале миссии обеспечивал мощность 125 Вт.

РИТЭГ изобрели в 1954 году работники Маундовской лаборатории Кен Джордан и Джон Бьорден. Эта лаборатория американских американских мощностей, которые использовали для разработки ядерного оружия во времена холодной войны. Генератор переводил тепло, образовавшееся в результате распада радиоактивного элемента, в электроэнергию благодаря термоэлектрическому эффекту.Перспективное изобретение: взяли на вооружение сначала военные и исследователи НАСА. Такие генераторы питали миссии Pioneer 10 и Pioneer 11, оба Voyager, New Horizons. "Вояджер" работает уже 42 года, когда энергия из-за уменьшения массы плутония-238 станет мало, а их генераторы, как решающие, будут работать до 2025 года, они пересекли границу Солнечной системы и стали самыми страшными искусственными объектами в истории человечества. Одной из версий взрыва 8 августа этого года на полигоне российского Северодвинска, является использование РИТЭГ для испытаний ракеты «Буревестник».

Термоэлектрический эффект, который лежит в основе работы РИТЭГ, открыл еще в 1822 году Томас Зеебек. Он спаял пластины из висмута и вставки на него. Так ученый изобрел термопару - цепь из спаянных с одного конца проводников, которые замыкаются на измерительном приборе. Контакты держат при различных температурах, и между ними возникает электрическое напряжение. Чем больше нагрет горячий контакт термопары, то оно выше. Эти просты и чаще всего их используют для измерения температуры в диапазоне свыше 2000 градусов.

Термоэлектрический модуль на основе бумаги из нанотрубок

Обратное эффекту Зеебека явление исследовали в 1830-х Жан Пельтье и Эмилий Ленц. Последний располагал каплю воды у контакта висмута и сурьмы и наблюдал, что с ней происходит, если прикладывать напряжение к металлам. При прохождении через контакт тока в разных направлениях капля то превращалась в лед, то испарялась. Ленц сделал вывод, что от направления тока зависит, будет ли нагреваться или охлаждение контакт.

Эффект Зеебека используется используемыми физическими принципами. В результате повышения температуры в одном из проводников электроны (или «дыры» - носители заряда в полупроводниках, если их используют для термопары) становятся подвижными и передвигаются в зоне с меньшей температурой. Нагретый конец цепи становится положительно заряженным, а холодный из-за передачи электронов - отрицательно заряженным, между концами термопары появляется электрическое напряжение. Также у материалов разные энергии Ферми - это наибольшая энергия, которую имеют электроны при нулевой температуре.В зоне спая они выравниваются, и нагрев одного из металлов приводит к тому, что электроны, занимают больший энергетический уровень, движутся в зоне с меньшим потенциалом, и через термопару проходит ток. В эффекте Пельтье электроны преодолеть потенциалов в спайке термопары. И в зависимости от направления своего движения они или впитывают тепло, становясь более подвижными и охлаждая спай, или отдают энергию и контакт нагревается.

Электрический эффект позволяет непосредственно превратить тепло в электрическую энергию.При обычном способе получения энергии на тепловых или атомных электростанциях энергия топлива превращается в тепловую. Вследствие, например, испарения воды она превращается в механическую энергию в турбине, а турбина уже запускает генератор электрической энергии. Именно отсутствие подвижной части - турбины - и делает термоэлектрические батареи такими надежными, что они работают в космосе десятки лет.

В тему: 10 технологий изменят наш мир в ближайшее время

Кроме использования энергии в экстремальных условиях на основе термоэлектриков используют в системах охлаждения: бытовых холодильниках и промышленных системах.Автомобильные компании испытывают термоэлектрические генераторы: от 60% тепла, генерируют двигатели внутреннего сгорания, тратится впустую. Превращение его части в электрическую энергию позволяет уменьшить потребление топлива до 10%. Термоэлектрические микромодули применяют в микроэлектронике. Они работают даже при разнице температур всего 10 градусов. Некоторые компании предоставляют термоэлектрическую зарядку для смартфонов - подпитывается она от обычного костра. Разработанный во время Второй мировой войны в Ленинграде термоэлектрический котелок работал благодаря разности температуры между кипятившейся водой (100 ° С) и очагом (300-400 ° С). Такие котелки использовали партизаны и разведчики, чтобы заряжать рации и вести радиопередачи из глухих лесов.

Типичная термопара. Один спай поддерживаемый при высокой температуре T1, другой присоединен к измерительному устройству при низкой температуре T2

Требования к термоэлектрическим материалам достаточно высоки. Они должны одновременно проводить ток и плохо - тепло. Редкое сочетание, ведь эти два свойства соединяются. То, хорошо такие материалы превращают тепло в электрическую энергию, качество коэффициентом ZT.Лучшие соединения на основе теллурида висмута имеют ZT в интервале от 2,5 до 2,8. Около 300 лабораторий по всему миру работает над повышением коэффициента, в частности в черновицком институте термоэлектричества НАНУ. В ноябре в журнале Nature вышла статья ученых из Венского технологического института, которые изобрели материал с рекордными термоэлектрическими свойствами. Тонкая пленка из сплава железа, ванадия, алюминия и вольфрама показывает термоэлектрический пленочный коэффициент до 6. По мнению руководителя проекта профессора Эрнста Байера, она пригодится для устройств интернета вещей.Системные системы из многих объединенных устройств трудно провести питание ко всем элементам, поэтому у каждого из них должен быть собственный источник энергии. Например, из термоэлектрической пленки.

Так как висмут и теллур довольно редкие материалы, к же токсичные, им ищут замену. Перспективный термоэлектрик - селенид олова. В 2013 году показали, что при температуре выше 500 ° С он может конвертировать 20% тепла в электроэнергию. То есть генерирует 20 Вт энергии от тепла мощностью 100 Вт.При такой температуре в материале меняется кристаллическая структура, что приводит к уменьшению теплопроводности, а вот электрические свойства теплые остаются те же: он подходит под два условия хорошего термоэлектрика. В этом году исследователи из Германии установили, что большое давление (около 100 тыс. Атмосфер) обеспечивает такой же эффект в селениде олова и при комнатной температуре. В перспективе это поможет заменить редкие висмут и теллур на распространенные материалы.

В тему: Ткань и одежда будущего

Исследователи из Института материаловедения в Барселоне, вписавшись в тренд на экологически безопасные материалы, изобрели в этом году термоэлектрическую бумагу.Она максимально экологична, «выращивается» в лаборатории бактериями, которые помещают в среду наполненную сахаром и углеродными нанотрубками. «Бумага» стабильна до 250 ° С и гибкая. В своей статье в журнале «Энергетика и экология» действуютали, как она работает даже при сильной деформации.

Поиск термоэлектриков с большим коэффициентом ZT - среди основных задач современного материаловедения. Системы термоэлектрики одним из двигателей развития микроэлектроники, а также альтернативных источников энергии удастся найти дешевые заменители теллурида с лучшими свойствами.Ведь термоэлектрические генераторы могут работать десятки лет, используя только тепло, которое в современной технике в основном расходуется без всякой эффективности.

Олег Фея, опубликовано в издании Дата

Перевод: Аргумент


В тему:

Как получить электричество из раскалённого металла?

Можно ли запасать энергию, разогрев вещество до очень высокой температуры - порядка 2000 ° C? Каковы были бы преимущества такие технологии? И какие проблемы стоят на пути её разработки? Ответы на эти жгучие вопросы найти учёные из этой металлургической лаборатории в Норвегии.

Необходима тщательная подготовка при работе с жидким сплавом, нагретым до 1700 ° C. Учёные, занятые в этом европейском исследовательском проекте, стремятся выяснить, можно ли получить электричество из тепловой энергии, когда металл раскалён до столь высоких температур. В данном опыте используется железо с добавками кремния и бора.

Учёный-материаловед Мерет Тангстад ​​из Норвежского научно-технического университета поясняет:

- Мы начали с тех материалов, у которых наибольшая разница в энергии в жидком и твёрдом состоянии.Это, пожалуй, главный эффект, который мы изучаем. Он важен, потому что нам нужно очень большую энергию в очень маленьких объёмах.

При такой температуре процесс теплопередачи смещается от проводимости или конвекции к излучению. Но процедура должна быть предельно эффективной, надёжной, стабильной и безопасной, чтобы исключить несчастные случаи, технические сбои и потери энергии. Поэтому необходимо вести мониторинг в реальном времени.

- При высоких температурах всё реагирует со всем, - говорит Наталия Собчак из Польского исследовательского литейного института. - И каждая из этих причин может вызвать огромные изменения контейнера, он даже может треснуть. В идеале мы ищем условия, которые гарантированно регулируются химическими реакциями в процессе плавления.

, в Мадриде, ведутся дополнительные исследования по разработке первых готовых к использованию систем. Энергия, получаемая в системах скрытого накопления, помогает получить электроэнергию потребителей.

- Мы можем запасать от одного до двух киловатт-часов на литр, поясняет Алехандро Датас из института Солнечной энергии. - Это примерно в 10 раз больше, чем позволяет обычная электрохимическая батарея. Вся энергия, которая возникает в процессе плавления - это нерастраченная энергия. Она в тепловой форме.

Для достижения такого результата, исследователи хотят добиться наибольшей степени преобразования накопленного тепла в электричество. А для этого требуется обратить особое внимание на электроны.

- Когда некий материал достигает определенной высокой температуры, он выделяет электроны, - говорит Даниэль Мариа Трукчи, электроинженер из CNR-ISM. - Наша задача - эффективное высвобождение этих электронов при не слишком высокой температуре. Тогда мы сможем реализовать тепловую энергию в электричество. Электроны становятся транспортёрами электричества.

Уже готов первый прототип, который должен выполнить реализацию всей концепции.В нём используется мало материалов, что упрощает сборку и сокращает затраты на дальнейшее обслуживание. Если испытания пройдут успешно, учёные намерены представить свою на рынке.

- Преимущество небольших систем, которые мы разработали, в том, что за счёт объёма продаж мы можем увеличить производство и увеличить нашу производительность, - поясняет Амбандро Датас. - В краткосрочной перспективе, лет примерно через пять лет, мы рассчитываем выйти с этой новой технологией на рынок.

Найден новый способ превращения тепла в электричество

Уже достаточно давно человечество умеет превращать один вид энергии в другой. Благодаря этому можно обогревать внутреннее топливо автомобиля, которое позволяет обогревать наш автомобиль, а в двигателе внутреннего сгорания бензина преобразуется энергия, позволяющая автомобилю ехать. Но прогресс не стоит на месте и люди регулярно находятся в поисках новых способов получения энергии, о которых мы вам сообщаем на сайте и в нашем Телеграм-канале.Так, совсем недавно эксперт из США представила новый способ превращения тепла в электричество. И он, надо сказать, весьма экстравагантен.

Наука предоставляет массу способов получения энергии. Порой из таких источников, о которых мы даже не догадывались

Как превратить тепло в электричество

По сообщению редакции издание EurikAlert, которое указано на исследование опубликованное в журнале Science Advances, группа ученых из Университета штата Огайо придумала, как улавливать тепло и превращать его в электричество.Причем использовать для этого можно любой источник тепла: от рассеивающегося тепла от промышленных установок и до выхлопов автомобилей.

Благодаря нашему открытию мы можем более эффективно использовать ресурсы и получать больше электрической энергии из тепла, - сказал соавтор работы Джозеф Хереманс, профессор механики и аэрокосмической техники, занимающийся исследованиями в области нанотехнологий в Университете штата Огайо. До сих пор никто не думал, что что-то подобное в принципе возможно.

В основе открытия явления электромагнетизма (которое известно достаточно давно). Простой пример: когда одна сторона магнита нагревается, другая сторона остается холодной и наращивает свой потенциал. Из-за нарастания присутствует избыток энергии, который можно преобразовать в электричество. Но есть одна проблема. Магниты при нагревании «теряют магнитную силу» и размагничиваются, поэтому грубо говоря, для создания электричества из тепла можно использовать «лишь один раз».

Читайте также: Tesla представила очень мощные модульные батареи для хранения солнечной энергии

Тут на помощь приходят парамагнетики. Парамагнетики - это вещества, которые намагничиваются под воздействием магнитного поля, но при этом не теряют после воздействия воздействия, грубо говоря, «магнитную силу». И, что важно, парамагнетики устойчивы к воздействию тепла. Но и тут есть проблема: парамагнетики по сравнению с обычными магнитами «очень слабые» и до сегодняшнего дня считалось, что они не способны вырабатывать энергию.

Мы представили, что это не совсем так. Мы нашли новый способ создания термоэлектрических полупроводников на основе парамагнетиков. Традиционные термоэлектрические системы, которые появились около 20 лет назад, слишком неэффективны и дают нам слишком мало энергии.

Совместив парамагнетики с полупроводниками, ученые создали интересное устройство: с одной стороны парамагнетики, нагреваясь и охлаждаясь, генерируя энергию. С другой стороны - полупроводниковые материалы позволяют использовать полученную энергию.Как заверяют ученые, электричество можно как запасать в обычных аккумуляторных батареях, так и сразу же пускать на питание электронных устройств и компонентов.

Под направленным воздействием магнитного поля парамагнетики приобретают магнитные свойства

.Например, при переплавке стали отходящее тепло можно использовать для питания различных установок завода, что снизит конечную стоимость продукции.

Термоэлектрические накопители - хранение электричества, тепла и холода | Владимир Сидорович | Интернет энергии

Технологии «Power-to-Heat» будут играть роль в энергетическом переходе.

Идущая в мире энергетическая трансформация включает в себя государственный сектор электроэнергетики. В то же время на электроэнергию приходится всего лишь примерно 20% конечного потребления энергии.Поэтому специалисты подчеркивают важность «совмещенной» трансформации в других секторах - тепло / хладоснабжение и транспорт (соединение секторов).

Одним из инструментов таких изменений является технология «Power-to-Х» - речь идет о преобразовании электричества в другие субстанции с последующим их хранением и использованием в разных сферах. Например, мы много рассказываем о водороде и технологии «Power-to-Gas» («Power-to-Hydrogen»), которые преобразуют электричество в водород для повторной электрификации, использование на транспорте и в других секторах.

В то же время в мире активно ведётся работа и над другими, «более прозаичными» технологиями, например, «Преобразование энергии в тепло» (преобразование электроэнергии в тепло). Следует подчеркнуть, что речь идёт об «избыточной» или «бросовой» электроэнергии, которая вырабатывается ветровыми и / или солнечными электростанциями в периоды низкого спроса. «Power-to-Heat» считается важным инструментом повышения эффективности интеграции ВИЭ в энергетические системы. Например, в Китае до сих пор высок процент принудительных выработки выработки на основе солнца и ветра (сокращение).Соответственно, во многих случаях может быть экономически целесообразным преобразовывать это электричество, и КНР реализует соответствующие проекты.

В Европе производитель ветрогенераторов Simens Gamesa предлагает хранить «избыточную» ветровую электроэнергию в нагретом камне, энергетический концерн Vattenfall для теплоснабжения берлинских микрорайнов использует стальные пластины, начиная нагревая их до 650 градусов с помощью ветровой и солнечной энергии. Такие хранилища энергии относительно дёшевы, не содержат вредных для окружающей среды компонентов, а окупаемость проектов обеспечивается, в первую очередь, за счёт продажи тепла.

Сегодня мы остановимся подробнее на проекте термоэлектрической системы накопления энергии (система электротермического накопления энергии - ETES), который реализуется компанией MAN Energy Solutions при участии ABB. В данном комплексном проекте наглядно демонстрируется электроэнергетика с секторами тепло- и хладоснабжения. Система хранит электроэнергию, тепло и холод.

Термоэлектрический накопитель энергии - процесс зарядки (MAN Energy Solutions)

ETES использует избыточное возобновляемое электричество для выработки тепла и холода («цикл зарядки») и сохраняет их в накопарах.Тепло и холод могут быть преобразованы обратно в электроэнергию или поставлены потребителям. Например, тепло может передаваться в системы централизованного теплоснабжения, для пищевой промышленности, прачечного и т. д., а холод - центрам обработки данных, хоккейным аренам, в системе кондиционирования небоскребов…

По словам представителя MAN, «ETES является единственной системой хранения, способной одновременно хранить электроэнергию, тепло и холод, а также распределять их среди потребителей, что делает ее уникальной.Благодаря общей эффективности, модульности системы и ее низкому воздействию на среду, ETES является устойчивым решением для накопления энергии, которое подходит для широкого распространения применений по всему миру ».

Технология турбомашин и технологический процесс зарядки и разрядки являются ключевыми элементами системы накопления энергии и отражают основные компетенции MAN Diesel и Turbo, материнской компании MAN Energy Solutions. Схема работы устройства следующая.

Цикл зарядки:

(1) Турбокомпрессор работает на избыточной энергии из возобновляемых источников, сжимая CO2, который нагревается до 120 ° C.

(2) CO2 подается в теплообменник и нагревает воду.

(3) Горячая вода хранится в имеющарах (3 под атмосферным, 1 под повышенным давлением), каждый из имеет отдельно уровень температуры.

(4) CO2 под высоким давлением в расширитель, который снижает давление. СО2 сжижается и охлаждается.

(5) Сжиженный СО2 снова прокачивается через систему теплообмена; на этот раз на холодной стороне системы.

(6) Тепло отбирается из окружающей воды, и в резервуаре для хранения льда образуется лед.

Цикл разрядки:

Термоэлектрический накопитель энергии - процесс разрядки (MAN Energy Solutions)

(1) Газообразный CO2 поступает в теплообменник на холодной стороне системы, где он конденсируется при соприкасании с холодом из резервуара для хранения льда.

(2) Лед в резервуаре тает.

(3) Насос CO2 снова увеличивает давление CO2.

(4/5) CO2 проходит через теплообменник и нагревается водой в резервуарах для горячей воды.

(6) Тепло от нагретого CO2 подается в турбину, где тепло преобразуется обратно в электрическую энергию через связанный генератор.Электричество поступает в сеть.

По данным авторов проекта, в зависимости от конфигурации, эффективность этого процесса достигается примерно 50–55%. Использование и структура тепла или холода по потребителям общей эффективности процесса до 70%.

MAN Energy Solutions рассматривает ETES как инновационное и модульное решение для хранения, управления и регулирования средних и крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Потенциальные рынки - это промышленные и муниципальные пользователи.

Подготовлено Инфраструктурным центром EnergyNet.

Автор: Владимир Сидорович

Преобразование тепла в электричество полупроводниками

«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников - материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существуют последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются »

Открытие, опубликованное в журнале [1] Science Advances , может более эффективно использовать выработку электроэнергии из тепла, используя такие источники, как выхлопные газы автомобилей, сброс тепла в промышленных процессах и прочее.

«Благодаря этому открытию можно будет больше электрической энергии из тепла, чем это делается сегодня». «Это то, о чем до сих пор никто даже не думал, что это возможно».

Открытие основано на крошечных частицах, называемых парамагнонами - веществах, которые не совсем магниты, но сохраняют некоторые магнитные свойства. Это важно, потому что у магнитов при нагревании ослабевает магнитное поле, и они приобретают так называемые парамагнитные свойства.

Поток магнетизма - это то, что ученые называют «спинами», создающими тип энергии, называемой термоэлектричеством магнонного сопротивления, которое до этого предполагалось использовать для сбора энергии.

«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников - материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существуют последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются ".

Магниты привлекают внимание в качестве средства передачи энергии, когда одна сторона магнита нагревается, другая сторона - более холодная - намагничивается, вызывая спиновое вращение, которое приводит в движение электроны, создающие электрический ток.В то же время, при большой нагреве магнитов, они теряют часть своих магнитных свойств, превращаясь в парамагнетики - «почти, но уже не совсем магниты».

Исследовательская группа тестировала парамагноны, чтобы выяснить, что происходит в случае возникновения конкретных обстоятельств, связанных с движением электронов. По их словам, они появляются, что парамагноны действительно поддерживают этот процесс. И это, по их словам, позволяет генерировать электричество из тепла.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *