Как объясняют физики, ферромагнетики содержат в себе две группы электронов, обладающих разным спином — квантовой характеристикой электрона. Скорость движения и другие физические свойства частиц зависят от спина. Из-за этого при появлении разницы в температуре внутри ферромагнетика возникает любопытный эффект — в нем появляются два «канала», по каждому из которых двигаются электроны с разным спином. Разная скорость движения частиц позволяет превращать поток электронов с разным спином в электрический ток.
Хэрэманс и его коллеги обнаружили, что данный эффект возможен не только в ферромагнетиках, но и в других типах проводников, изучая свойства полупроводникового сплава индия и олова.
В ходе своих экспериментов авторы статьи выяснили, что внешнее магнитное поле превращает фрагменты полупроводника в преобразователь тепла в электричество, если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю. По расчетам физиков, напряжение тока увеличивается на восемь милливольт при повышении разницы в температуре полюсов устройства на один градус Кельвина. Это примерно в тысячу раз больше, чем удавалось достичь на самых эффективных преобразователях тепла на основе ферромагнетиков.
«На самом деле, это новое поколение теплового двигателя. В 18 веке у нас были паровые двигатели, в 19 веке — двигатели внутреннего сгорания, а в 20 веке появились первые термоэлектрические материалы. Теперь мы пытаемся приспособить для этих целей и магнитное поле», — пояснил Хэрэманс.
Физики полагают, что их открытие будет в конечном итоге использовано для создания генераторов, преобразующих тепло в электричество. Такие устройства не будут иметь движущихся и ломающихся частей, благодаря чему они будут работать практически вечно. Тем не менее, до их появления физикам и инженерам предстоит решить массу проблем — пока такие устройства работают только при низкой температуре и в присутствии сильного магнитного поля.
Хрупкая девушка из политеха изобрела уникальную газотурбинную установку по получению электричества и тепла с помощью углекислого газа. Эту штуку можно установить на мусоросжигательном заводе и вообще везде, откуда идёт загрязнение воздуха.
Автор изобретения Анна Просвирнова. Фото предоставлено ПНИПУ
Это Анна Просвирнова, 22-летняя магистрантка Пермского политехнического университета. И вот её дипломная работа — результат двух лет кропотливого труда. То есть это, конечно, не сам проект, но схематичное описание изобретения.
Принцип работы примерно такой: углекислый газ прогоняется по замкнутому кругу между компрессором, теплообменником, турбиной и охладителем — и в процессе вырабатывает тепло или электричество. Или и то и другое.
Это замкнутая газотурбинная установка, то есть всё идёт по циклу, по кругу, и вырабатывается в итоге энергия
Анна Просвирнова
Автор изобретения, студентка Пермского национального исследовательского политехнического университета
По словам Анны, поработать над концепцией такого агрегата ей предложил научный руководитель — доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем Николай Леонидович Бачев.
Всё началось с того, что на третьем курсе я подошла к нему, говорю: «Будете ли вы моим научным руководителем?» Он сказал, мол, буду — и вот смотри, есть такая теоретическая часть. Все основы как бы он заложил мне, сказал, что можно, в принципе, это сделать. Меня это очень заинтересовало, и мы начали работать. Я искала материал, мы считали, многое не получалось, потом вроде всё получилось, КПД увеличивается, ура
Анна Просвирнова
Автор изобретения, студентка Пермского национального исследовательского политехнического университета
Сам научный руководитель в свою очередь попытался внести полную ясность: изначально идея замкнутой газотурбинной установки принадлежала Бауманскому университету, задумали там это устройство для несколько других целей.
Они планировали применять их на космических энергоустановках, а мы предложили их использовать здесь, на земле, прицепить их к мусоросжигающим установкам для утилизации
Николай Бачев
Доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем ПНИПУ
Одна печаль — система, по сути, не очищает атмосферу от выбросов. Вредные газы лишь подпитывают систему энергией, а потом всё равно попадают в воздух — просто в охлаждённом виде. Вся польза — в энергии. По сути, получается электро- или теплостанция на углекислом газе. В случае установки, скажем, на мусоросжигательном заводе — ТЭЦ, работающая на отходах.
Тепловую энергию можно использовать, чтобы нагревать воду для отопления, а можно получать электрическую энергию с помощью электрогенератора. То есть тут даже возможна комбинированная выработка электричества и тепла
Николай Бачев
Доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем ПНИПУ
Надо сказать, такой подход уже давно активно используется за рубежом. К примеру, в Германии 30 электростанций работают на отходах. Во Франции 12 мусоросжигательных заводов заняты электроснабжением Парижа. В Финляндии только один крупнейший завод вырабатывает треть всего необходимого электричества.
В России ежегодно выбрасывают 70 миллионов тонн мусора — и почти всё это по-прежнему хоронят на полигонах, по разным данным, лишь от трёх до семи процентов отходов хоть как-то перерабатывают. К 2024 году, правда, планируют построить целых пять мусорных электростанций, а в мае 2020-го договорились о возведении ещё 25 за ближайшие десять лет.
Пластиковый мусор. Главное по теме
ЕщеМеж тем новая газотурбинная установка, по словам изобретателей, позволяет превратить в завод waste-to-energy («отходы в энергию») практически любое дымящее предприятие.
Кроме мусоросжигательных заводов можно их использовать в газовой промышленности, там у них огромные трубы, выхлоп идёт, вот этот выхлопной газ опять же можно использовать для подпитки этой газотурбинной установки
Николай Бачев
Доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем ПНИПУ
В теории это подходит для любого предприятия, которое портит атмосферу
Анна Просвирнова
Автор изобретения, студентка Пермского национального исследовательского политехнического университета
По словам Анны, сейчас она пытается доработать механизм отвода тепла, а в остальном схема полностью готова к своему физическому воплощению. Николай Бачев заверил, что собрать такой агрегат на самом деле не так уж сложно и дорого: можно использовать компрессоры, теплообменники и прочие составные части уже существующих аппаратов и просто соединить их вместе, как конструктор. Он добавил, что в принципе систему можно снабдить и системой очистки — и тогда выбросы не только принесут пользу, но и станут менее вредными.
Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном
При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.
Лабораторная работа.
Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие
знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их
возможностей и посвящена данная лабораторная работа.
50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось
Подключаем воду к охладителю и питание к Пельтье, проверяем работу элемента. Через десять минут брусок охладился до -10 градусов, а через 30 ещё больше. В помещении 22 градуса.
Чтож, всё хорошо работает, я в этом и не сомневался. Теперь
отключаем блок питания и вместо него припаиваем 10Вт 6 вольтовою
лампочку и ставим наш агрегат на конфорку.
Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает
электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5
вольта.
Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%.
Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…
Отключаем подачу воды, и ставим на охладитель большой радиатор.
Результат предсказуем, напряжение снизилось до трёх вольт,
ток до 0.5А. За пятнадцать минут радиатор нагрелся до 45 градусов.
После того, как я снял прибор с конфорки, лампочка продолжала светить ещё минут десять, даже при разнице температур брусков всего в двадцать градусов, можно было различить накал спирали.
Выводы этой лабораторной просты. При помощи элементов
Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на
охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться.
Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно
смекалки.
еще один самодельный термогенератор: http://overland-botsman.narod.ru/termogen.htm
а вот и заводская модель
Отопительная печь «Индигирка»
Электрогенерирующая дровяная отопительно-варочная печь
Все бы хорошо, но в некоторых районах
балерины такой же дефицит, как и электричество. Не напасешься балерин.
И не каждая согласится зимой делать фуэте в валенках.Получать жизненно необходимое электричество из тепла дровяной печи нам представилось более реальным. Ничего нового мы не изобретали. Просто адаптировали надежный тепловой электрогенератор к печи длительного горения.
Много ли электричества можно вытянуть из бытовой печки? На пару лампочек Ильича хватит. Зарядить аккумуляторы ноутбука-мобильника-навигатора хватит. Включить телевизорчик-радиоприемничек-и-тому-подобное хватит.
Затапливайте печку, грейтесь, варите суп-харчо, подключайте портативный телевизор и смотрите «Лебединое озеро». Пусть балерины используются только по прямому назначению.
Такие вот печки-лампочки.
Компания «Термофор» поставила на серийное производство новинку, аналоги которой ни в России, ни в остальном мире не замечены.
Это небольшая твердотопливная отопительно-варочная печь со встроенным электрогенератором, который преобразует тепловую энергию горящего в печи топлива в электрическую энергию.
Во время работы печи по прямому назначению, то есть в процессе отопления или приготовления пищи, печь генерирует постоянный ток напряжением 12 вольт и мощностью не менее 50 ватт.
Много это или мало? Для пресыщенного комфортом городского жителя, наверное, мало. Для человека, по тем или иным причинам полностью отрезанного от внешнего мира и его благ — очень много. Зачастую эти спасительные 50 ватт могут стать гранью между жизнью и смертью.
При современном уровне развития энергосберегающих технологий эта мощность обеспечивает весь необходимый для цивилизованной жизни набор электрических устройств.
| Технические характеристики: | Разработка проекта осуществлена компанией «Термофор» совместно с компанией «Криотерм» из Санкт-Петербурга. Напомним, что сегодня в мире из 6 миллиардов населения Земли более 1,6 миллиарда людей не имеют доступа к стационарным источникам электроэнергии. Из 21 миллиона дач в России около 5 миллионов либо вообще не подключены к электроснабжению, либо испытывают серьезные перебои с электроснабжением. В северных широтах получение электроэнергии из тепла печи имеет ряд выраженных преимуществ по сравнению с получением электроэнергии ветряками, солнечными батареями и дизельными генераторами. Легко представить реальные условия, где нет ни ветра, ни солнца, ни возможности доставки дизельного топлива. Вырабатываемого печью тока достаточно для подключения 2—3 энергосберегающих лампочек, зарядки аккумуляторов ноутбука, мобильного или спутникового телефона, фото- или видеокамеры, подключения портативного телевизора, радиоприемника, DVD проигрывателя и других портативных энергосберегающих устройств. По результатам лабораторных и полевых испытаний, электрогенератор печи выходит на стабильный режим через 6—8 минут после зажигания топлива в печи. Надежность электрогенераторов не вызывает сомнений, поскольку электрогенераторы компании «Криотерм» уже много лет поставляются сотням фирм-потребителей в 17 стран мира. Подобные электрогенераторы производства нашего партнера используются в оборонной промышленности многих стран, космосе, высокотехнологичных отраслях промышленности. В настоящее время компания «Термофор» изучает возможные рынки сбыта энергопечей. Очевидно, что разработка представляет интерес для военных, спасателей, геологов, туристов, дачников, рыбаков и охотников. Кроме того, целевым сегментом являются кочевые народы и народы севера. В планах этого года — увеличение мощности получаемого тока до 100 ватт. | ||||||||
| Макс. объем отапливаемого помещения, м3 | 50 | ||||||||
| Мощность, кВт | 4 | ||||||||
| Масса, кг | 38 | ||||||||
| Глубина, мм. | 370 | ||||||||
| Ширина, мм. | 500 | ||||||||
| Высота, мм. | 620 | ||||||||
| Суммарная площадь поверхностей нагрева, кв. м | |||||||||
| Объем камеры сгорания, л | 41 | ||||||||
| Диаметр проема топочной дверцы, мм | 178 | ||||||||
| Диаметр дымохода, мм. | 80 | ||||||||
| Мин. высота дымохода, м. | 3 | ||||||||
Как получить электричество из тепла
Схематически изобретение выглядит так. Когда один из контактов нагревается, в системе молекул возникает ток. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Арунавы Майумдара предложили получать электрический ток с помощью использования давно известного эффекта. Однако делать это они решили совершенно новым способом.
В настоящее время существуют различные технологии получения тока из тепла. Самый известный – с помощью паровых турбин – считается малоэффективным.
«Чтобы генерировать ватт мощности электротока, расходуется три ватта, а остальные два рассеиваются в окружающем пространстве в виде тепла», — так поясняет недостаток паротурбин профессор Майумдар.
Для того чтобы трансформировать это «улетучивающееся» тепло в полезную энергию, можно использовать эффект Зеебека, который реализуется в термопарах. Он заключается в том, что электричество возникает в месте контакта двух металлов, находящихся при разных температурах.
Однако термопары не приобретают широкого распространения из-за высокой стоимости требующихся для них металлов. К тому же эффективность их довольно низка.
В новых экспериментах, проведённых Майумдаром и его коллегами, используются золотые наноэлектроды, контактирующие с тремя различными видами органических молекул. Как показали результаты опыта, при изменении температуры в этой системе — как и в обыкновенных термопарах — происходит возникновение тока. Это первый случай, когда эффект Зеебека наблюдается в органических молекулах.
Пока что этого результата удалось достигнуть в опытах с единственным таким контактом. Однако учёные утверждают, что могут сделать большое количество таких миниатюрных источников энергии.
Несмотря на то, что в опытах применяются золотые наночастицы, материала идёт на них немного, а что касается органических молекул, то они, по уверениям Майумдара, недороги и их несложно получить. В общем, судя по этому описанию, устройства на основе нового метода генерирования электричества должны получиться сравнительно недорогими.
Подробности исследования можно узнать из публикации в журнале Science.
Также читайте о необычных электрогенераторах: о тех, которые меньше монеты. и о тех, что можно имплантировать.
Преобразование тепла в электричество
Всем известно, что более 50% всей энергии, которая потребляется человечеством, теряется в виде выделения тепла. В настоящее время, учеными из разных стран ведется работа по созданию материалов-термоэлектриков, которые способны осуществить преобразование тепла в электричество. В результате проведенных исследований удалось получить такие термоэлектрические материалы, коэффициент преобразования которых в два раза выше, чем у самых популярных современных термоэлектриков.
Свойства термоэлектрических материалов
Результаты позволяют надеяться, что в ближайшем будущем получатся совершенно новые экологически чистые источники электрической энергии. На молекулярном уровне было произведено соединение кобальта, никеля, олова и марганца. Получился мультиферритовый сплав, обладающий совершенно новыми свойствами. Он объединяет в себе оптимальное сочетание электрических, эластичных и магнитных свойств. За счет этого происходит превращение материалов из одного в другой, а действие температуры приводит к обратимым фазовым превращениям. Во время демонстрации этого материала, он, при поглощении окружающего тепла, вызвал неожиданную выработку электричества в катушке индуктивности, окружающей его.
Таким образом, полученный материал, в перспективе может иметь огромное практическое значение. Например, преобразование тепла, выделяемого автомобилем, может быть использовано для зарядки аккумуляторов .
Принцип действия двигателя-электрогенератора
Кроме термоэлектриков, разрабатывается двигатель-электрогенератор, способный вырабатывать электроэнергию, эквивалентную двигателю внутреннего сгорания с такими же габаритными размерами.
В этом устройстве используется сжатие и расширение газов, происходящее в циклическом варианте. При этом, двигатель преобразует тепловую энергию вначале в механическую, а, затем, в электрическую. Его эффективность на 25% превышает аналогичные показатели стандартного двигателя внутреннего сгорания.
В отличие от обычных двигателей в электрогенераторе совершенно не имеется трущихся или движущихся частей, что позволяет эксплуатировать его в высокотемпературном режиме, не применяя специальных смазок, без всякого износа. При нагревании газа, он увеличивается в объеме и вызывает звуковые колебания, которые приводят к колебаниям пластины, исполняющей роль поршня. В свою очередь, поршень связан с генератором, который и вырабатывает электрическую энергию.
Таким образом, преобразование тепла в электричество имеет вполне реальные перспективы. Данные методы являются достаточно эффективными и экологически чистыми, поэтому, есть необходимость дальнейших разработок в этом направлении.
Вечный генератор электричества
Уверен, редко кто из читателей знает, что электрический ток можно получать из… «пустоты». Удивляться тут нечего – об этом и не было известно никому в мире вплоть до 1993 года, когда в отечественной лаборатории «Наномир» впервые подобным образом была извлечена электроэнергия. Сделано это было при помощи специального прибора, называемого резонатором.
Специалисты обнаружили, что резонансными свойствами обладают многие культовые предметы симметричной формы, например, кресты, звезды, короны, трезубцы, кусудамы… Последние вы уже знаете из занятий оригами.
Полученный ток был очень слабым, он регистрировался приборами на пределе чувствительности. Еще два года не удавалось создать мощного источника энергии, так как незатухающие электрические колебания могут возникнуть только в том резонаторе, степень симметрии которого превышает 100 000. Как же сделать лилию или трезубец с такой невероятной точностью? Ведь ошибка при размерах лепестков в 0.5 м не должна превышать нескольких микрон!
Но, если нельзя сделать точно столь сложный резонатор, то, может быть, найдутся сведения о прямолинейных преобразователях?
Кусудамы как раз и оказались подобным устройством. Они состоят из плоских элементов и обладают той формой, которую современными средствами можно изготовить с нужной точностью.
Хотите попробовать? Станете обладателем вечной лампы, которую не нужно включать в розетку, да и заменять не придется – она не перегорает.
Правда, заказать кусудаму придется обратиться на завод, где есть точные станки, и изготовить ее из материала, слабо деформирующегося при нагревании.
Чтобы кусудама стала преобразовывать энергию, ее поверхность необходимо отполировать и покрыть с помощью напыления проводящим материалом.
Лучший проводник – серебро, однако чистое серебро быстро покроется окислом, и «вечная» лампочка скоро погаснет. Дабы этого не случилось, поверх скин-слоя серебра нужно напылить защитный слой другого металла в 100 раз тоньше. Одного грамма золота хватит, чтобы защитить несколько «вечных» лампочек по 300 ватт.
Сама кусудама светить не будет. Она лишь превращает внутреннюю энергию эфира в электрические колебания, которые, как это ни странно, не излучаются в виде электромагнитных волн. На расстоянии вытянутой руки их уже невозможно зарегистрировать без высокочувствительного прибора. Кусудама является неизлучающей антенной. Она – резонатор.
Как же превратить невидимые колебания электрического и магнитного полей в видимый свет?
Здесь нам помогут знания об атомах, молекулах и кристаллах. Оказывается, достаточно в зону электромагнитных колебаний поместить кусочек кварца, и он засияет голубоватым светом. Это явление можно наблюдать, если минерал положить в микроволновую печь с прозрачной дверцей.
Может возникнуть вопрос: почему же тогда не светятся драгоценные камни, вставленные в золотую корону? Ведь она тоже резонатор. Тем, кто не догадался, напомню: степень симметрии резонатора должна быть больше 100 000. А у корон она, конечно, значительно ниже.
Напоследок отметим, что резонаторы обладают и другими не менее интересными свойствами. Полагают, что очень вероятно их использование в качестве двигателей на «летающих тарелках».
Грязь превращает тепло в электричество
Команда исследователей кафедры химических технологий и материаловедения университета штата Мичиган разработала материал, который является так называемым термоэлектриком. То есть с его помощью можно получать электричество из тепла. Процесс получения электрического заряда из разницы температур при помощи некоторых материалов, имеющих термоэлектрические свойства, не такое уж и новое открытие. Но уникальность работы ученых в том, что они смогли воссоздать подобный компонент практически из грязи. То есть не потратив при этом много денег и энергии.
Ранее термоэлектрические материалы получали из очень дорогих или очень токсичных компонентов. Теперешнее открытие, по словам самих исследований, открывает еще один путь к созданию недорогого и экологически чистого источника альтернативной энергии. Новый материал, по сути состоящий из обычной грязи, способен преобразовывать накопленное тепло в электрический ток .
Потенциал изобретения огромен. Взять хотя бы тепло, выделяемое головкой цилиндров двигателя автомобиля или «вылетающее» через выхлопную трубу. Если создать коллекторы, наполненные новым материалом, можно будет успешно преобразовывать отводимое тепло в полезное электричество. Тогда возможно концепция экологически чистого гибрида или электромобиля станет намного реальнее, чем сейчас.
Команда исследований под руководством профессора Дональда Морелли для создания энергоэффективной грязи использовала так называемые «тетраэдриты» – природные материалы, широко распространенные на Земле, которые имеют термоэлектрические свойства. Сами по себе в природном виде они малоэффективны. Но ученым удалось немного изменить и состав и умело соединить в один материал. В результате получился очень эффективный элемент.
Исследователи растирают добытые тетраэдриты в порошок, смешивают их между собой в определенных пропорциях, а затем при помощи температуры и давления создают образцы пригодные для практического применения. По словам ученых, разработанная ими технология, которую они, кстати, до конца не раскрывают, достаточно мало затратная как в денежном, так и в энергетическом плане.
ДОСТИЖЕНИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ НАЧАЛА 21-ГО ВЕКА
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли предложили получать электрический ток с помощью использования давно известного эффекта, однако совершенно новым способом. В настоящее время существуют различные технологии получения тока из тепла.
Например, с помощью паровых турбин – считается малоэффективным. Можно использовать эффект Зеебека, который реализуется в термопарах. Он заключается в том, что электричество возникает в месте контакта двух металлов, находящихся при разных температурах. Однако термопары не приобретают широкого распространения из-за высокой стоимости требующихся для них металлов и низкой эффективности.
В новых экспериментах используются золотые наноэлектроды, контактирующие с тремя различными видами органических молекул. При изменении температуры в этой системе — как и в обыкновенных термопарах — происходит возникновение тока. Т.е. наблюдается эффект Зеебека в органических молекулах. Учёные утверждают, что могут сделать большое количество таких миниатюрных источников энергии. Материала идёт на них немного, а органические молекулы недороги, и их несложно получить. Устройства на основе нового метода генерирования электричества должны получиться сравнительно недорогими.
Как получить электричество из тепла Земли?
Ученые разработали методику, позволяющую вырабатывать электричество из тепла, которое Земля выделяет в окружающее пространство.
Тепловую энергию Земли планируется использовать как возобновляемый источник энергии для производства электричества в некоторых районах планеты. В настоящее время не существуют технологий, позволяющих извлекать электричество из тепла Земли.
Новая методика разработана Федерико Капассо и его коллегами из Гарвардского университета. На создание методики ученых натолкнуло наблюдение, что планета «подогревает» космос с мощностью в 100 миллионов гигаватт. Авторы исследования создали схему особой «тепловой батареи», ориентируясь на данные о тепловом потоке, исходящем от Земли.
Этот прибор включает в себя набор особых антенн-выпрямителей и соединяющих электрических цепей. Прибор похож на индукционные петли, используемые в электронных билетах, а также «беспроводных» зарядных устройствах для мобильных телефонов.
Источники: www.membrana.ru, electric-220.ru, sedge.ru, silatoka.net, scsiexplorer.com.ua, class-fizika.narod.ru, www.myenergy.ru
Верховая езда
Каждому человеку доводилось хотя бы раз в жизни сидеть на спине лошади, эти ощущения сложно передать простыми словами. Сегодня …
Удивительная Индонезия
Это независимое государство расположено в юго-восточной части Азии. Его столицей является город с красивым названием Джакарта. Площадь территории равна 1919 квадратных …
Дерево с самым толстым стволом
Деревья являются обязательной составляющей биосферы Земли, обеспечивая баланс атмосферы, влажности, температуры. Но не менее важным свойством является их способность …
Рождение Ванги
О знаменитой Ванге много написано книг, статей, снято фильмов и опубликовано интервью. Она предсказывала будущее не только людям, но и целым …
Солнечные электростанции
Данный продукт представляет собой источник энергии для обеспечения нужд потребителей, не имеющих постоянного подключения к электрическим сетям общего пользования в своей …
Вулкан Йеллоустоун — Апокалипсис приближается
Одной из широко обсуждаемых тем последние годы стал супервулкан Йеллоустон в США. Периодически поступают мрачные прогрнозы о начале возможного извержения супервулкана, который способен …
Истории о русалках
В трудах древних авторов часто упоминается о существовании дев с рыбьими хвостами. В древнегреческих мифах упоминались существа наяды – …
мир электроники — Электричество из тепла
категория
Альтернативная энергия
материалы в категории
В начале прошлого века изобретатели и учёные уже хорошо представляли ту пользу, которую может дать широкое применение электроэнергии. Однако способов её дешёвого получения в достаточном количестве долго не существовало. Но вот в 1821 году немецким учёным Зеебеком было открыто любопытное явление.
Если взять замкнутую цепь из двух спаянных между собой разнородных проводников и один спай нагревать, а другой охлаждать, то в цепи возникнет ток. В этом удивительно простом устройстве (назвали его термоэлементом) тепловая энергия как бы прямо превращается в электрическую.
В известном задолго до него гальваническом элементе энергия получалась за счёт растворения металла в электролите. Вещества эти достаточно дороги, недёшево получалась и энергия. Термоэлемент — другое дело. Сам он не расходуется, а топливо вполне доступно. Тем более, что нагревать его спаи можно чем угодно: солнцем, вулканическим теплом, продуктами сгорания, вылетающими через трубу печи, и т. д.
Давайте повнимательней разберём некоторые его свойства. Одиночный термоэлемент развивает маленькую ЭДС — десятые, сотые доли вольта. Однако его внутреннее сопротивление очень мало, следовательно, создаваемый ток может быть очень велик.
Давно известен такой красивый эксперимент. Электромагнит с железным сердечником и обмоткой, состоящей из… одного витка. Но виток — скоба из меди толщиной в палец, замкнутая впаянной перемычкой из висмута. Один конец спая нагреваем обычной лабораторной горелкой, другой — охлаждаем водой. Возникает ток в тысячи ампер, и магнит (при одном-то витке!) удерживает чугунный бабушкин утюг.
Низкая ЭДС — не беда, термоэлементы легко соединяются в батарею с последовательным соединением сотен или тысяч источников. Выглядит она такой гармошкой из чередующихся полос двух металлов. Сильный ток при умеренном напряжении в 2-3 вольта как нельзя лучше годился для применения в мелких гальванических мастерских. Его вырабатывали термоэлектрогенераторы, напоминающие небольшую печь на дровах, угле или газе.
Применялись они кустарями ещё в начале века. Были попытки решать и более крупные задачи. Так, например, в конце 80-х годов прошлого века в Париже Клуэ построил термоэлектрический генератор, дававший энергию для 80 «свечей» Яблочкова. КПД установок того времени не превышал 0.3%. Казалось бы, уж очень мало, но всё потерянное тепло можно было использовать для отопления дома, подогрева воды или приготовления пищи. Предлагались и отопительные печи со встроенными термоэлектрогенераторами. Любопытно, что их установка ни в коем случае не увеличивает расхода топлива на отопление. Ведь электричество, если его израсходуют в том же помещении, вновь перейдёт в тепло!
История распорядилась иначе. Электричество оказалось значительно выгоднее производить на электростанциях и централизованно распределять потребителям. Даже в прошлом веке КПД электростанций был в десятки раз выше, чем у термоэлементов. Однако изящная простота, надёжность, вызванная отсутствием движущихся частей, очаровали многих. Попытки повысить КПД без глубокого проникновения в теорию к серьёзному успеху не привели. ЭДС возникает в результате нагревания ветвей термоэлемента, но одновременно возникает и паразитный поток тепла, бесполезно перетекающий от горячего спая к холодному. Пытаясь его использовать, стали собирать каскады термоэлементов, в которых более холодный спай одного нагревает горячий спай другого. Температура горячих спаев на каждом ярусе каскада понижается. Однако, подбирая материалы, наиболее хорошо работающие именно в заданном диапазоне температур, КПД всей системы удаётся значительно повысить.
Есть и другая возможность. Её называют регенерацией тепла. Направим поток воздуха вдоль термоэлектрического каскада от холодного конца к горячему. При этом он обретёт от элементов часть протекающего по ним тепла и нагреется. После этого направим горячий воздух в топку и сэкономим часть топлива. Вся эта процедура равноценна снижению теплопроводности материалов термоэлементов, а принесёт она пользу лишь в том случае, если произойдёт отбор строго определённой части тепла от каждого элемента. Однако регенерация ощутима лишь тогда, когда сами термоэлементы, входящие в каскад, достаточно совершенны.
В 30-е годы теоретические работы в области термоэлектричества особенно интенсивно проводились в нашей стране. Говорят, нет ничего практичнее хорошей теории. Академик А. Ф. Иоффе создал новую теорию процессов, происходящих в твёрдом теле. Некоторые солидные учёные принимали её в штыки, называли «квантово-механическим подсознанием». Но в 1940 году, основываясь на её выводах, удалось поднять КПД термоэлемента в 10 раз. Произошло это благодаря замене металлов на полупроводники — вещества с более высокой термоЭДС и низкой теплопроводностью.
В начале войны в лаборатории Иоффе был создан «партизанский котёл» — термоэлектрогенератор для питания портативных радиостанций. Это был котелок, на днище которого снаружи располагались термоэлементы. Их горючие спаи находились в огне костра, а холодные, прикреплённые ко дну котелка, охлаждались налитой в него водой.
Тщательный подбор материалов, применение регенерации позволили в наше время довести КПД термоэлемента до 15%. В начале века такую эффективность имели обычные электростанции, но теперь она возросла более чем в три раза. Термоэлементу в большой энергетике пока места нет. Но ведь есть и энергетика малая. Несколько десятков ватт требуется для питания радиорелейной станции, стоящей на горной вершине, или морского сигнального буя. Есть и отдалённые места, где живут люди, которым требуются электричество и тепло. В подобных случаях применение находят термоэлементы, подогреваемые газом или жидким топливом. Особенно ценно, что эти устройства можно поместить в небольшой подземный бункер и оставить совершенно без присмотра, лишь раз в год или реже пополнять запас топлива. Ввиду малой мощности расход его при любом КПД оказывается приемлем, а кроме того… нет выбора.
Любопытное применение для термоэлектрогенераторов нашли врачи. Уже более двух десятилетий тысячи людей носят имплантированный, помещённый под кожу ритмоводитель сердечной деятельности. Источником энергии для него служит крохотная (с напёрсток) батарея из сотни соединённых последовательно термоэлементов, подогреваемых распадом безвредного изотопа. Несложная операция по её замене производится раз в 5-10 лет.
В Японии выпускаются электронные часы, энергию которым от тепла руки даёт термоэлемент.
Недавно одна итальянская фирма заявила о начале работы над электромобилем с термоэлектрогенератором. Этот источник тока значительно легче аккумуляторов, поэтому пробег у термоэлектрического автомобиля будет не меньше, чем у обычного. (Напомним, что электромобили способны с одной зарядкой пройти 150 км.) Полагают, что путём разных ухищрений расход топлива удастся сделать приемлемым. Главные достоинства экипажа нового типа — абсолютно безвредный выхлоп, бесшумное движение, применение самого дешёвого жидкого (а возможно, и твёрдого) топлива, очень большая надёжность.
В 30-е годы проводившиеся в нашей стране работы над термоэлементами были широко известны. Вероятно, поэтому писатель Г. Адамов описал в своём романе «Тайна двух океанов» подводную лодку «Пионер», получавшую энергию от тросов-батарей. Так он назвал термоэлектрические генераторы, выполненные в виде длинных тросов. Их горячие спаи при помощи буя поднимались в верхние слои океана, где температура достигает 20-25°C, а холодные — охлаждались глубоководной водой с температурой 1-2°С Так фантастический «Пионер» — лодка, способная дать сто очков вперёд нынешним атомным, заряжал свои аккумуляторы.
Реально ли такое? Сообщение о прямых опытах подобного рода в печати нет. Впрочем, промелькнуло нечто любопытное. Создан термоэлектрогенератор на 1000 кВт, вырабатывающий энергию за счёт тепла горячих подземных источников. Разность температур между горячим и холодным спаями 23°С, как в океане, удельный вес 6 кг на 1 кВт — много ниже, чем у энергетических установок обычных подводных лодок. Не на пороге ли мы новой энергетической революции, нового века электричества?
А. САВЕЛЬЕВ
Юный Техник 1992 N7
Ток из тепла: Термопара против пара
Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии — без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.
Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа,» — поясняет Арунава Майумдар (Arunava Majumdar) из Калифорнийского университета в Беркли.
Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.
Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во‑первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.
Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.
«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.
Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».
По публикации Science Daily
90000 Using Waste Heat to Generate Electricity 90001 90002 90003 1. Activate students ‘prior knowledge. 90004 90005 90002 Ask students what they feel on the bottom or sides of a laptop that has been on for a while. Discuss how the heat they feel represents lost efficiency; some electricity is being wasted when it is converted to thermal energy. Ask: 90007 How would the total amount of energy resources needed to run the laptop for an hour change if fewer resources were converted to thermal energy? What if you could trap and use the thermal energy? 90008 Expand the discussion to household appliances that give off heat, such as a dryer or an oven.Ask: 90007 Have you ever wanted to leave the kitchen on a hot day when the oven is on? What benefits might there be if that waste heat (thermal energy) could be captured and used to heat your home or your water? How would that help to conserve energy? 90008 Explain that industrial operations, such as manufacturing and electricity generation, can produce large quantities of waste heat. Waste heat capture is a way to repurpose and use the waste heat. 90005 90002 90005 90002 90003 2. Examine and discuss a diagram showing waste heat capture.90004 90005 90002 Project the Waste Heat Capture diagram for students to see. Use the diagram to describe how waste heat can be captured from an industrial process, such as a glass-melting furnace, and used to heat water to create steam. That steam can then be used to turn a turbine and generate electricity. The steam could also be used to power another mechanical process within the factory or to pre-heat water so less energy would be required from other resources to heat the water to the required temperature.Waste heat could also be used to heat the factory directly. Explain that cogeneration is a type of waste heat capture that takes advantage of the wasted thermal energy from thermoelectric power plants to intentionally generate both electricity and useful heat from a single source. Cogeneration can increase the efficiency of a power plant from 30 to 80 percent. 90005 90002 90005 90002 90003 3. Give students an overview of the case study podcast task. 90004 90005 90002 Explain that students will conduct research to learn more about various ways waste heat can be captured and used in different settings.Distribute copies of the worksheet Waste Heat Capture Notes, and introduce the following research questions: 90007 What is waste heat? How do industrial processes produce waste heat? What is the main impact of waste heat on the environment? How can waste heat be captured and transformed into electricity? How can industry use waste heat with cogeneration technology? 90008 Explain that as students research these questions, they will identify a specific example of waste capture technology that they will later use as the subject of a podcast.90005 90002 90005 90002 90003 4. Model search strategies and have students conduct research using the web. 90004 90005 90002 Divide students into small groups. Have each group review the research questions and make sure they understand what each question is asking. Then have each group generate a list of key words to use in researching the questions. Have groups share their results with the class and create a master list of possible search terms. Have students review the master list and add any synonyms or related search terms that they think might be useful.Ask them to identify which search terms they might use together in a search to increase their chances of getting a good result. Display a search page for the whole class to see, and type in one or more of the search terms. Scroll through the search results on the first screen and model how to categorize each one as potentially useful or not for the inquiry, based on what you can tell from the heading and visible description on the search page. Then model how to assess each potentially useful link by clicking on the link to determine who created the resource, to evaluate the professionalism and authority of the website, and to identify any inherent biases.Type in another set of one or more search terms, and have students assess the results in their small groups. Once you are comfortable that students understand how to use the search terms and evaluate search results, have them begin researching in their small groups. Have them use the Waste Heat Capture Notes worksheet to answer the research questions. Remind students to identify useful, reputable resources. Encourage students to note any potential case studies during their research. When students have completed their research, discuss their findings as a class.90005 90002 90005 90002 90003 5. Introduce the podcast task. 90004 90005 90002 Explain that groups will now focus on a specific example of a place that uses waste heat for generating electricity, heating, cooling, and / or doing other work. Explain that they will create a podcast that uses that case study to describe and explain the capture and use of waste heat. Distribute the Podcast Rubric and review it with students. Play a Future Tense, Nova, National Geographic News, or Natural Selections podcast, or any other podcast of your choice.Have each student take notes about what they feel is successful or not successful as they listen. Play at least one additional podcast, again asking students to note successes and pitfalls. Have students share their notes with the class and generate a class list of best practices and pitfalls for podcasts. 90005 90002 90005 90002 90003 6. Have students identify their case study and create a podcast. 90004 90005 90002 Have students select from the provided list of case studies or identify their own candidate for a case study from their local region or from their earlier research.Approve all case studies before students begin work. Have each group read about the waste heat capture project they are using as their case study, noting important points. Have students generate an outline that addresses the important points they want to make about waste heat capture, using specific examples from their case study to illustrate those points. Once students have an outline, have them divide up the workload among the group members. Have students script their podcast and identify the location of their case study, using the MapMaker Interactive.Students should check in with you at this point for feedback before recording their podcast. 90005 90002 90005 90002 90003 7. Have students record their podcast. 90004 90005 90002 Students can record their podcast on a computer using any sound recording application (for example, Audacity), and then upload the recording into any podcasting program (for example, AudioBoo). Depending on the podcasting program you use, students may also be able to record their podcast directly into the program via a computer microphone or even a phone.Once groups have finished recording their podcasts, have each group use the Podcast Rubric to peer-review another group’s podcast. Remind them to give specific, constructive feedback. 90005 90002 90005 90002 90003 8. Have students publish their podcasts using the MapMaker Interactive. 90004 90005 90002 Have students revise their podcasts based on feedback from the peer review and record their final version. Then have all groups use the MapMaker Interactive to label the featured locations of their podcasts on a map of the United States.Each group should place a marker on the appropriate location for their case study and use the label tool to number and name the case study. Students can then use the label tool to create a numbered list in the bottom left area of the map screen. The list should include the number for the case study as recorded on the map label and the URL of the related podcast. Note that the URLs will not be hyperlinked but can be used as reference. Download and save the map. 90005 .90000 How electricity is generated — U.S. Energy Information Administration (EIA) 90001 90002 How electricity is generated 90003 90004 In 1831, scientist Michael Faraday discovered that when a magnet is moved inside a coil of wire, an electric current flows in the wire. An electricity 90005 generator 90006 is a device that converts a form of energy into electricity. Generators operate because of the relationship between magnetism and electricity. Generators that convert kinetic (mechanical) energy into electrical energy produce nearly all of the electricity that consumers use.90007 90004 A common method of producing electricity is from generators with an 90005 electromagnet 90006 -a magnet produced by electricity-not a traditional magnet. The generator has a series of insulated coils of wire that form a stationary cylinder. This cylinder surrounds a rotary electromagnetic shaft. When the electromagnetic shaft rotates, it induces a small electric current in each section of the wire coil. Each section of the wire coil becomes a small, separate electric conductor.The small currents of the individual sections combine to form one large current. This current is the electricity that moves through power lines from generators to consumers. 90007 90004 Electric generator 90007 90004 Source: Adapted from Energy for Keeps (public domain) 90007 90004 Most of U.S. electricity generation is from electric power plants that use a turbine or similar machine to drive electricity generators.90007 90004 A turbine converts the potential and kinetic energy of a moving fluid (liquid or gas) to mechanical energy. In a turbine generator, a moving fluid-such as water, steam, combustion gases, or air-pushes a series of blades mounted on a shaft, which rotates the shaft connected to a generator. The generator, in turn, converts the mechanical energy to electrical energy based on the relationship between magnetism and electricity. 90007 90004 Different types of turbines include steam turbines, combustion (gas) turbines, water (hydroelectric) turbines, and wind turbines.In steam turbines, hot water and steam are produced by burning a fuel in a boiler or by using a heat exchanger to capture heat from a fluid heated with, for example, solar or geothermal energy. The steam drives a turbine, which powers a generator. The fuels or energy sources used for steam turbines include biomass, coal, geothermal energy, petroleum fuels, natural gas, nuclear energy, and solar thermal energy. Most of the largest electric power plants in the United States have steam turbines. 90007 90004 Combustion gas turbines, which are similar to jet engines, burn gaseous or liquid fuels to produce hot gases to turn the blades in the turbine.90007 90004 Internal combustion engines, such as diesel engines, are also used to produce mechanical energy to operate electricity generators. Diesel-engine generators are used in many remote villages in Alaska and are widely used for power supply at construction sites and for emergency or backup power supply for buildings and power plants. Diesel-engine generators can use a variety of fuels including petroleum diesel, biodiesel, natural gas, biogas, and propane. Small internal combustion engine generators fueled with gasoline, natural gas, or propane are commonly used by construction crews and tradespeople and for emergency power supply for homes.90007 90004 Combined-heat-and-power (CHP) plants, sometimes called 90005 cogenerators 90006, use the heat that is not directly converted to electricity in a steam turbine, combustion turbine, or an internal combustion engine generator for other purposes, such as space heating or industrial process heat. Some power plants use the unused heat or combustion gases from one turbine, such as a gas turbine, to generate more electricity in another turbine, such as a steam turbine. This system of two separate generators using a single fuel source is called a combined cycle.CHP and combined-cycle power plants are some of the most efficient ways to convert a fuel into useful energy. 90007 90004 Hydroelectric turbines use water to spin turbine blades, and wind turbines use the wind. 90007 90004 Electricity generators that do not use turbines include solar photovoltaic cells, which convert sunlight directly into electricity, and fuel cells, which convert fuels, such as hydrogen, into electricity through a chemical process. 90007 90034 90035 steam turbines61% 90036 90035 combustion turbines24% 90036 90035 hydroelectric turbines7% 90036 90035 wind turbines7% 90036 90035 solar photovoltaic systems1% 90036 90035 internal combustion engines <1% 90036 90047 90004 90005 Last updated: November 5, 2019 90006 90007 .90000 A Sound Way To Turn Heat Into Electricity - ScienceDaily 90001 90002 University of Utah physicists developed small devices that turn heat into sound and then into electricity. The technology holds promise for changing waste heat into electricity, harnessing solar energy and cooling computers and radars. 90003 90002 "We are converting waste heat to electricity in an efficient, simple way by using sound," says Orest Symko, a University of Utah physics professor who leads the effort. "It is a new source of renewable energy from waste heat."90003 90002 Five of Symko's doctoral students recently devised methods to improve the efficiency of acoustic heat-engine devices to turn heat into electricity. They will present their findings on Friday, June 8 during the annual meeting of the Acoustical Society of America at the Hilton Salt Lake City Center hotel. 90003 90002 Symko plans to test the devices within a year to produce electricity from waste heat at a military radar facility and at the university's hot-water-generating plant.90003 90002 The research is funded by the U.S. Army, which is interested in "taking care of waste heat from radar, and also producing a portable source of electrical energy which you can use in the battlefield to run electronics" he says. 90003 90002 Symko expects the devices could be used within two years as an alternative to photovoltaic cells for converting sunlight into electricity. The heat engines also could be used to cool laptop and other computers that generate more heat as their electronics grow more complex.And Symko foresees using the devices to generate electricity from heat that now is released from nuclear power plant cooling towers. 90003 90002 90015 How to Get Power from Heat and Sound 90016 90003 90002 Symko's work on converting heat into electricity via sound stems from his ongoing research to develop tiny thermoacoustic refrigerators for cooling electronics. 90003 90002 In 2005, he began a five-year heat-sound-electricity conversion research project named Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC).Symko works with collaborators at Washington State University and the University of Mississippi. 90003 90002 The project has received $ 2 million in funding during the past two years, and Symko hopes it will grow as small heat-sound-electricity devices shrink further so they can be incorporated in micromachines (known as microelectromechanical systems, or MEMS) for use in cooling computers and other electronic devices such as amplifiers. 90003 90002 Using sound to convert heat into electricity has two key steps.Symko and colleagues developed various new heat engines (technically called "thermoacoustic prime movers") to accomplish the first step: convert heat into sound. 90003 90002 Then they convert the sound into electricity using existing technology: "piezoelectric" devices that are squeezed in response to pressure, including sound waves, and change that pressure into electrical current. "Piezo" means pressure or squeezing. 90003 90002 Most of the heat-to-electricity acoustic devices built in Symko's laboratory are housed in cylinder-shaped "resonators" that fit in the palm of your hand.Each cylinder, or resonator, contains a "stack" of material with a large surface area - such as metal or plastic plates, or fibers made of glass, cotton or steel wool - placed between a cold heat exchanger and a hot heat exchanger . 90003 90002 When heat is applied - with matches, a blowtorch or a heating element - the heat builds to a threshold. Then the hot, moving air produces sound at a single frequency, similar to air blown into a flute. 90003 90002 "You have heat, which is so disorderly and chaotic, and all of a sudden you have sound coming out at one frequency," Symko says.90003 90002 Then the sound waves squeeze the piezoelectric device, producing an electrical voltage. Symko says it's similar to what happens if you hit a nerve in your elbow, producing a painful electrical nerve impulse. 90003 90002 Longer resonator cylinders produce lower tones, while shorter tubes produce higher-pitched tones. 90003 90002 Devices that convert heat to sound and then to electricity lack moving parts, so such devices will require little maintenance and last a long time. They do not need to be built as precisely as, say, pistons in an engine, which loses efficiency as the pistons wear.90003 90002 Symko says the devices will not create noise pollution. First, as smaller devices are developed, they will convert heat to ultrasonic frequencies people can not hear. Second, sound volume goes down as it is converted to electricity. Finally, "it's easy to contain the noise by putting a sound absorber around the device," he says. 90003 90002 90015 Studies Improve Efficiency of Acoustic Conversion of Heat to Electricity 90016 90003 90002 Here are summaries of the studies by Symko's doctoral students: 90003 90002 - Student Bonnie McLaughlin showed it was possible to double the efficiency of converting heat into sound by optimizing the geometry and insulation of the acoustic resonator and by injecting heat directly into the hot heat exchanger.90003 90002 She built cylindrical devices 1.5 inches long and a half-inch wide, and worked to improve how much heat was converted to sound rather than escaping. As little as a 90-degree Fahrenheit temperature difference between hot and cold heat exchangers produced sound. Some devices produced sound at 135 decibels - as loud as a jackhammer. 90003 90002 - Student Nick Webb showed that by pressurizing the air in a similar-sized resonator, it was able to produce more sound, and thus more electricity.90003 90002 He also showed that by increasing air pressure, a smaller temperature difference between heat exchangers is needed for heat to begin converting into sound. That makes it practical to use the acoustic devices to cool laptop computers and other electronics that emit relatively small amounts of waste heat, Symko says. 90003 90002 - Numerous heat-to-sound-to-electricity devices will be needed to harness solar power or to cool large, industrial sources of waste heat. Student Brenna Gillman learned how to get the devices - mounted together to form an array - to work together.90003 90002 For an array to efficiently convert heat to sound and electricity, its individual devices must be "coupled" to produce the same frequency of sound and vibrate in sync. 90003 90002 Gillman used various metals to build supports to hold five of the devices at once. She found the devices could be synchronized if a support was made of a less dense metal such as aluminum and, more important, if the ratio of the support's weight to the array's total weight fell within a specific range.The devices could be synchronized even better if they were "coupled" when their sound waves interacted in an air cavity in the support. 90003 90002 - Student Ivan Rodriguez used a different approach in building an acoustic device to convert heat to electricity. Instead of a cylinder, he built a resonator from a quarter-inch-diameter hollow steel tube bent to form a ring about 1.3 inches across. 90003 90002 In cylinder-shaped resonators, sound waves bounce against the ends of the cylinder.But when heat is applied to Rodriguez's ring-shaped resonator, sound waves keep circling through the device with nothing to reflect them. 90003 90002 Symko says the ring-shaped device is twice as efficient as cylindrical devices in converting heat into sound and electricity. That is because the pressure and speed of air in the ring-shaped device are always in sync, unlike in cylinder-shaped devices. 90003 90002 - Student Myra Flitcroft designed a cylinder-shaped heat engine one-third the size of the other devices.It is less than half as wide as a penny, producing a much higher pitch than the other resonators. When heated, the device generated sound at 120 decibels - the level produced by a siren or a rock concert. 90003 90002 "It's an extremely small thermoacoustic device - one of the smallest built - and it opens the way for producing them in an array," Symko says. 90003 .90000 Powering A Generation: Generating Electricity 90001 90002 90003 Generating Electrons 90004 90005 90002 There are a many ways to produce electricity. Electrons can flow between certain different materials providing a current, as in a common battery. While reliable and portable, chemical batteries run down quickly. To provide the large amounts of steady power demanded by modern societies, large power plants have been built. Most power plants make electricity with a machine called a generator.90005 90002 90005 90002 90011 A 1925 turbine rotor for a Westinghouse generator, Image # 21.035, Science Service Historical Image Collection, National Museum of American History 90012 90005 90002 Generators have two important parts: the rotor (which rotates) and the stator (which remains stationary). Generators use the principle of electro-magnetic induction, which exploits the relation between magnetism and electricity. In large AC generators, an outer shell with powerful magnets rotates around a stationary "armature" which is wound with heavy wire.As they move, the magnets induce an electric current in the wire. 90005 90002 It is important to recognize that electricity is not mined or harvested, it must be manufactured. And since it's not easily stored in quantity, it must be manufactured at time of demand. Electricity is a form of energy, but not an energy source. Different generating plants harness different energy sources to make electric power. The two most common types are "Thermal Plants" and "Kinetic Plants". 90005 90002 90005 90002 90003 Thermal Generating Plants 90004 90005 90002 Thermal plants use the energy of heat to make electricity.Water is heated in a boiler until it becomes high-temperature steam. This steam is then channeled through a turbine, which has many fan-blades attached to a shaft. As the steam moves over the blades, it causes the shaft to spin. This spinning shaft is connected to the rotor of a generator, and the generator produces electricity. 90005 90002 90005 90002 90005 90002 90011 Diagram of a thermal (oil burning) plant in the Hydro-Québec system 90032 Copyright, Hydro-Québec 90012 90005 90002 90005 90002 90003 Fossil-fueled plants 90004 90005 90002 Fossil-fuels are the remains of plant and animal life that lived long ago.Exposed to high temperatures and pressures for millions of years underground, these remains have been transformed into forms of carbon: coal, oil, and natural gas. Unlike electricity itself, fossil fuels can be stored in large quantities. After 100 years of research and development, fossil-fueled plants are generally reliable, and problems that do occur are usually confined to a local area. Many electric utilities have operated fossil-fuel plants for decades, and these plants (now fully paid for) are very profitable to run.This not only increases profits to the utility, but keeps down the direct cost to users. 90005 90002 However, fossil-fuel plants can create serious environmental problems. Burning these fuels produces sulfur-dioxide and nitric-oxide air-pollution requiring expensive scrubbers. Wastewater from the used steam can carry pollutants into water-sheds. Even with very good pollution controls, there is still waste material produced. Carbon-dioxide gas, and ash are the current concerns. 90005 90002 Also, fossil-fuels are not renewable.They took millions of years to make, and at some point they will run out. Extracting and transporting them for use has created environmental problems. Strip-mining of coal and oil-spills at sea can produce catastrophic impacts on ecosystems. 90005 90002 90005 90002 90003 Cogeneration 90004 90005 90002 Oil has become too expensive for most power plants. Coal and natural gas are currently cheap in the US, and are being used more often. These two fuels are being used more efficiently in "cogeneration" plants.Cogeneration is not a new idea, and takes advantage of the way many large electricity users operate. Many factories use steam in their production process. Utilities often make and sell steam for these customers, as well as for running their own generators. 90005 90002 Rather than simply condensing and exhausting waste-steam after it has passed thru the turbine, "top-cycle" cogenerators pipe this usable commodity to nearby customers. "Bottom-cycle" cogenerators operate in reverse and use the waste steam from industrial processing to drive turbines.By reusing steam, thermal-efficiency at cogeneration plants can exceed 50%. 90005 90002 Recently developed cogeneration plants use new materials and designs to improve reliability, and control both thermal and atmospheric pollution. Since these new technologies are designed into plants from the start, they are less expensive to install. The economy and capability of cogeneration technology allows many plants to return to burning coal without exceeding air-quality standards. "Circulating Fluidized-Bed "boilers," Selective Catalytic (and Non-catalytic) Reduction ", and" Zero-Discharge "water treatment systems are examples of technologies being used to control various environmental problems.90005 90002 90005 90002 90003 Combined-Cycle and Biomass Plants 90004 90005 90002 Some natural gas plants can produce electricity without steam. They use turbines very much like those on jet-aircraft. Instead of burning jet-fuel and producing thrust, however, these units burn natural gas and power a generator. Gas-turbine generators have been popular for many years because they can be started quickly in response to temporary demand surges for electricity.A newer twist is the "Combined-Cycle" plant which uses gas-turbines in this fashion, but then channels the hot exhaust gas to a boiler, which makes steam to turn another rotor. This substantially improves the overall efficiency of the generating plant. 90005 90002 In addition to these innovations some thermal plants are being designed to burn "biomass." 90011 (Shown is a biomass plant in Florida, image copyright US Generating). 90012 The term applies to waste wood or some other renewable plant material.For example, Okeelanta Cogeneration Plant in Florida burns bagasse waste from surrounding sugar-cane processing operations during one part of the year, and waste wood during the growing season. 90005 90002 90005 90002 90003 Nuclear Plants 90004 90005 90002 Although there are some important technical (and social) differences, nuclear power stations are thermal plants that make electricity in much the same way as fossil-fuel plants. The difference is that they generate steam by using the heat of atomic fission rather than by burning coal, oil, or gas.The steam then turns a generator as in other thermal plants. 90005 90002 90005 90002 90011 Diagram of a Nuclear plant in the Hydro-Québec system 90032 copyright, Hydro-Québec 90012 90005 90002 Nuclear plants do not use large amounts of fuel and do not refuel often, unlike a coal plant which must have train-loads of fuel shipped in regularly. The fact that green-house gasses and air-borne particulates are minimal during normal operation makes nuclear power attractive to many who are concerned about air-quality.Waste water is hotter than that from a fossil plant, and large cooling towers are designed to address this problem. 90005 90002 However, the drive to field nuclear power in the US faltered in the face of public concerns over safety, environmental, and economic issues. As more safety mechanisms were specified, construction costs and system complexities grew. Also, plants have shown some unexpected quirks, such as boiler tubes wearing out prematurely. Nuclear engineers contend that early problems with nuclear plants are subject to technical fixes, and are working on new "inherently safe "plant designs.Opponents argue that simply using uranium and plutonium as fuel creates too many problems and risks, not worth any benefits the technology might have. 90005 90002 So far, one problem which has not been solved is that of disposing of spent fuel cores and contaminated accessories which may remain dangerous for thousands of years. Permanent burial in geologically stable locations is the plan being pursued at this time, though this is still very controversial. 90005 90002 High-profile accidents at Three Mile Island in тисяча дев'ятсот сімдесят дев'ять and Chernobyl in одна тисяча дев'ятсот вісімдесят шість were, for the nuclear industry, public-relation disasters.Continuing economic problems have made nuclear plants much less attractive investments. Even though it produced 22% of America's electricity in 1996 року, nuclear power's future in this country is uncertain and hotly debated. 90005 90002 90005 90002 90003 Kinetic Generating Plants 90004 90005 90002 Hydro-electric plants and wind-mills also convert energy into electricity. Instead of heat energy, they use kinetic energy, or the energy of motion. Moving wind or water (sometimes referred to as "white coal") spins a turbine, which in turn spins the rotor of a generator.Since no fuel is burned, no air pollution is produced. Wind and water are renewable resources and, while there have been many recent technical innovations, we have a long history of harnessing these energy sources. Problems exist even with these technologies, however. 90005 90002 90005 90002 90003 Hydro-electric Plants 90004 90005 90002 Two basic types of hydro-electric plants are in service. One type, a "run-of-river" plant, takes energy from a fast moving current to spin the turbine.The flow of water in most rivers can vary widely depending on the amount of rain-fall. Hence, there are few suitable sites for run-of-river plants. 90005 90002 Most 90111 hydro-electric plants 90112 use a reservoir to compensate for periods of drought, and to boost water-pressure in the turbines. These man-made lakes cover large areas, often creating picturesque sport and recreational facilities. The massive dams required are also handy for controlling floods. In the past, few questioned the common assumption that the benefits outweighed the costs.90005 90002 These costs stem from the loss of land submerged by the reservoir. Dams have displaced people, and destroyed wild-life habitat and archeological sites. A dam-burst can be disasterous. Some environmental costs can be avoided by thoughtful design; using fish-ladders to permit fish to travel around a dam is one good example. However, other costs remain, and protests against some recent hydro-power projects have become as angry as anti-nuclear protests. 90005 90002 A special type of hydro-power is called "Pumped Storage".Some non-hydro plants can take advantage of periods of low demand (and low costs) by pumping water into a reservoir. When demand rises, some of this water is channeled through a hydro-turbine to generate electricity. Since "peak-load" generating units (used to meet temporary demand surges), are generally more expensive to run than "Base-load" units (which run most of the time), pumped-storage is one way to boost system efficiency. 90005 90002 90005 90002 90003 Wind Power 90004 90005 90002 Wind-farms do not need reservoirs and create no air pollution.Small wind-mills can provide power to individual homes. Air carries much less energy than water, however, so much more of it is needed to spin rotors. One needs either a few very large wind-mills or many small ones to operate a commercial wind-farm. In either case, construction costs can be high. 90005 90002 Like run-of-river hydro-plants, there are a limited number of suitable locations where the wind blows predictably. Even in such sites, turbines often have to be designed with special gearing so that the rotor will turn at a constant speed in spite of variable wind speeds.Some find less technical problems with installations that can turn a scenic ridge or pass into an ugly steel forest, or that can take a toll on birds. 90005 90002 90005 90002 90003 Alternative Generation 90004 90005 90002 Other types of power plants do not use traditional equipment to produce electricity. Geo-thermal plants replace boilers with the Earth itself. Photo-voltaics ( "PV") and Fuel Cells go further by dispensing with turbo-generators entirely. These alternate energy technologies have been under development for several decades, and advocates believe the technical and political situation will now bring them into the market-place.90005 90002 90005 90002 90003 Geothermal Plants 90004 90005 90002 Pressure, radioactive decay, and underlying molten rock make the deep places in the Earth's crust hot indeed. A vivid example of the heat available underground is seen when geysers erupt, sending steam and hot water high in the air. Natural sources of steam and hot water have attracted the attention of power engineers since early in this century. 90005 90002 By tapping this naturally-created thermal energy, geothermal plants provide electricity with low levels of pollution.There are several different varieties of plants, and the product from a geothermal site is used for heating as well as electricity production. Finding suitable sites can be difficult, although as technical innovations occur, more sites are made practical. Tapping geothermal sources can also have the effect of "turning off" natural geysers, and this possibility must be taken into account during the planning stage. 90005 90002 90005 90002 90003 Solar Power 90004 90005 90002 Solar-cells or "photo-voltaics" do not use a generator; they are the generator.Usually arranged in panels, these devices take advantage of the ability of light to cause a current to flow in some substances. A series of cells are wired together and the current flows from the panel when sunlight strikes it. They produce no pollution when operating, and most scientists predict that the fuel supply will last at least 4 billion years. 90005 90002 Solar panels have been relatively expensive to make, and of course they will not work at night or in foul weather. Some of the processes needed to manufacture them have recently been called into question environmentally.Not all of the sunlight striking a solar cell is converted into electricity, and boosting efficiency has been slow work. Yet, the idea of harnessing all of that free sunlight remains a powerful driver for solar power. 90005 90002 90005 90002 90003 Fuel Cells 90004 90005 90002 Valued for their usefulness on space-craft, fuel cells combine substances chemically to generate electricity. While this might sound very similar to a battery, fuel-cells are powered by a continuous flow of fuel.In the US Space Shuttle, for example, fuel cells combine hydrogen and oxygen to produce water and electricity. 90005 90002 Fuel cells have generally been expensive to make and not well suited to large installations. However, they represent a "modular" technology in that capacity can be added in small increments (5 - 20MW) as needed, allowing utilities to reduce both capital expenditures and construction lead times. Research seems to show promise; one test installation in Yonkers, NY, can produce 200kw by using gas created in the operations of a wastewater treatment plant.Also, fuel-cell plants are being used for central power in Japan. 90005 90002 90005 90002 90003 Decentralized Generation 90004 90005 90002 The ultimate usefulness of fuel-cells or photo-voltaics may not lie with large central generating plants. In the era before great continent-spanning networks of wires, a small generating station on the premises made economic sense for many business and industrial power users. As motors and equipment were improved and designed to take advantage of the new energy supply, more customers electrified their businesses and homes.90005 90002 In the early 20 90175 th 90176 Century, small generating companies consolidated and 90111 independent plants 90112 slowly disappeared. It simply became more economical to purchase power from a centrally-located utility rather than generate it on-site. Large regional power pools grew, as companies interconnected their transmission systems and shared reserve capacity. "Economy of Scale" became the watch-words. 90005 90002 This may change in the 21 90175 st 90176 Century.As the technology of electrical generation improves, and environmental concerns rise, the very concept of large centralized generating stations is coming into question. In most cases, for example, it is not economical to heat homes and businesses from a central location. Individual furnaces provide heat for separate buildings, with fuel provided by an associated transportation and distribution systems. Gasoline or diesel powered generators provide decentralized power to buildings in emergencies, though they are not economical for full-time power.Continued technical improvements in fuel-cells or photo-voltaics may change these economics. This possibility is especially attractive considering the cost of and objections to building large power lines. 90005 .