Преобразование тепловой энергии в электрическую: Преобразование тепловой энергии в электрическую

Преобразование тепловой энергии в электрическую

Среди множества приборов, которые позволяют получать электроэнергию особое место занимают устройства, позволяющие выполнять преобразование тепловой энергии в электрическую. Их основной задачей является прямое преобразование одного вида энергии в другой с минимальным количеством различных промежуточных звеньев. Одновременно, решается задача по увеличению коэффициента полезного действия данного процесса.

Содержание

Устройство преобразователя

Устройство-преобразователь состоит из нагреваемых элементов и генератора электрической энергии. Для изготовления нагреваемых элементов используется мягкий магнитный материал, точка Кюри у которого понижена. Он теряет свои магнитные качества при нагреве и обладает фазовым переходом.

Эти элементы входят в магнитную цепь в форме буквы Ф. В ней имеется один средний и два боковых стержня. Боковые стержни состоят из двух элементов, между которыми находятся воздушные промежутки. Они примыкают к среднему стержню и относительно него располагаются симметрично по обеим сторонам.

Соединение нагреваемых элементов осуществляется с помощью жесткой планки. Она устанавливается на шарнире, расположенном с краю среднего стержня по оси симметрии. Когда планка изменяет свое положение, нагреваемые элементы по очереди перемыкают воздушные промежутки боковых стержней. В воздушных промежутках располагается теплопровод, с помощью которого подводится тепло от нагревателя. При отсутствии перемыкания воздушных промежутков, происходит соприкосновение нагреваемых элементов с охладителем. В среднем стержне имеется обмотка возбуждения, питающаяся от постоянного тока, генерирующие обмотки генератора располагаются на боковых стрежнях.

Практическая работа преобразователя

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется по определенной схеме. Когда питание подается к обмотке, происходит возникновение магнитного потока, расходящегося по боковым стержням. Подвижный элемент притягивается к боковому стержню и замыкает необходимый воздушный зазор. Происходит возрастание магнитного потока, при этом, нагреваемый элемент попадает под влияние теплопровода. Он нагревается до определенной температуры, при которой происходит потеря магнитных свойств.

Подвижный элемент притягивается к зазору и магнитная цепь бокового стержня замыкается.Таким образом, в одном из боковых стержней магнитное поле растет, а в другом оно падает. Этот процесс неоднократно повторяется. Конечным результатом всех этих действий является электроэнергия. Ее количество и мощность полностью зависят от того, с какой скоростью подается тепло и охлаждение. От этого же зависти и КПД всей системы.

Физические источники тока

Реверсивный пускатель: подключение и запуск, настройка реверса

Система запуска асинхронного двигателя: устройство и принцип работы, схема,

Реверсивная схема подключения электродвигателя

Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром

Схема сварочного генератора

Магнитный пускатель: назначение, устройство, схемы подключения

Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

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 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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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».

Превращение тепла в электричество | Новости Массачусетского технологического института

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

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

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

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

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

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

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

Свободно пройденный путь

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

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

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

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

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

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

Затем команда изучила, как эти свойства электронов влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, путем суммирования термоэлектрических вкладов электронов с разными энергиями и длинами свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов в условиях температурного градиента во многом зависит от энергии электронов.

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

Уменьшение размера

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

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

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

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

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

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

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

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

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Boston Globe

Исследователи Массачусетского технологического института усовершенствовали аккумуляторы с жидким натрием, потенциально проложив путь к использованию аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии, сообщает Laney Ruckstuhl для Бостон глобус . «В отличие от литий-ионных аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах и ноутбуках, аккумуляторы с жидким натрием не потеряют свою емкость быстро».

Полная история через Boston Globe →

Ссылки по теме

• Ган Чен
• Лян Фу
• Мингда Ли
• Факультет машиностроения
• Факультет физики 90 076
• Факультет ядерной науки и техники
• Школа инженерии
• Школа наук

Для преобразования тепла в электричество: Ученые

изображение: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
посмотреть больше 

Кредит: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Научные сотрудники Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) совместно с промышленным партнером разработали термоэлектрический генератор нового поколения, который в десять раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Конечный продукт будет реализован индустриальным партнером в конце 2021 года. Проект проводится в рамках программы НИЦ мирового уровня «Передовые цифровые технологии» СПбПУ.

Термоэлектрический генератор — это устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую. Эта тема имеет решающее значение, особенно в связи с глобальной тенденцией к декарбонизации. Ученые СПбПУ разработали концепцию генератора на основе сложной углеродной наноструктуры. В процессе нагрева происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.

«Нагреваем структуру, созданную определенным образом и имеющую сложную стехиометрию. За счет нагрева запускается взаимодействие электронной подсистемы и структурной решетки. В результате созданная нами углеродная наноструктура начинает генерировать электроны. В результате такого квантово-физического взаимодействия при тепловом воздействии возникает «электрический ток», — отмечает Ольга Квашенкина, директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НИЦ мирового класса «Передовые цифровые технологии»). технологии» СПбПУ).

Исследовательская группа завершила теоретические исследования эффективности устройства. Ученые создали цифровую модель и провели цифровые испытания, что значительно сократило время разработки технологии. Затем результаты моделирования были проверены в ходе экспериментов, проведенных с использованием атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для данной разработки. В настоящее время проект находится на стадии аппаратного прототипа. Устройство имеет небольшие размеры (5х2 миллиметра, 1 миллиметр в высоту).

«Использование термоэлектрического генератора имеет решающее значение не только для бытового использования, но и для промышленности. Например, на поверхность газотурбинного двигателя, нагретого до 1500 градусов, помещается устройство, и это тепло, превращаясь в электрическую энергию, передается на датчики, предназначенные для контроля состояния этого двигателя», — отметила Ольга Квашенкина. Эксперт добавил: «Что касается бытового использования, то сейчас мы работаем над тем, чтобы наша разработка могла заряжать устройства с низким энергопотреблением, такие как электронные часы, системы полива комнатных растений и подобные устройства. В будущем мы будем стремиться к созданию портативных термоэлектрических зарядных устройств для мобильных телефонов».

По мнению ученых, тепла от системы центрального отопления хватит для выработки тока, достаточного для зарядки бытовых приборов. Предполагается, что рядом с системой отопления должен быть установлен термоэлектрический генератор, а полученная электроэнергия будет передаваться на электропроводку и заряжать небольшие устройства. Благодаря своим небольшим размерам устройство может быть портативным. Одним из ключевых моментов является безопасность этой системы как для пользователя, так и для электронного оборудования, подключенного к этому устройству.

Система предназначена для работы при очень высоких температурах, так как созданная углеродная наноструктура чрезвычайно термостойкая.