Петербургские ученые превратили тепло в электричество с сумасшедшим КПД
Новая разработка создана Политехом. Планируется, что она будет внедрена уже к концу года
Петербургские исследователи Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали термоэлектрический генератор нового поколения. Устройство в десятки раз эффективнее любых аналогов. Проект реализован в рамках программы НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».
Термоэлектрический генератор – устройство, которое переводит тепловую энергию в электрическую. Квантовые процессы позволяют не только получить электричество, но и сократить возможные выбросы в атмосферу, что особенно актуально в условиях борьбы с глобальным потеплением.
Директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» Ольга Квашенкина отметила, что термоэлектрический генератор (ТЭГ) – это устройство по конвертации или переводу тепловой энергии в электрическую. Термоэлектрические эффекты очень давно наблюдаются в научном сообществе, и на их основе создано большое количество устройств.
«Наше устройство отличается, во-первых, своими размерами, оно очень маленькое, во-вторых, КПД, который измеряется в количестве электроэнергии, выработанной на единицу объема рабочего материала, который и переводит тепловую энергию в электричество. Уже сейчас устройства применяются во множестве областей, начиная от больших промышленных ТЭГ, которые обеспечивают электрической энергией предприятия промышленности, до малых ТЭГ, которые используются, например, в элементах Пельтье (это малые нагревательные элементы, которые часто используются в лабораториях или на электронных производствах). Аналогов много, и все соревнуются по КПД», – рассказала Квашенкина.
По ее словам, все дело в уникальной технологии. Рядовому потребителю генератор может быть доступен к концу 2022-го – началу 2023 года. Устройство отличается высоким КПД – для выработки тока, достаточного для зарядки бытовых приборов, хватает нагрева от системы центрального отопления.
«Любая мировая технология требует больших инвестиций в проект.
К сожалению, в нашей стране зачастую невозможно найти такой уровень инвестиций ни от частного бизнеса, ни от государственного сектора. В этом смысле наши ученые-исследователи все технологии выводят малыми средствами, поэтому основным препятствием в масштабировании технологии может стать отсутствие инвестиций. Однако у нас есть уже огромный интерес к этому проекту от иностранных венчурных фондов и заказчиков, поэтому мы уверены в том, что этот проект мы в скорейшее время выведем на мировой уровень», – сказала Квашенкина.
Она добавила, что введение цифровых двойников сильно сокращает время эксперимента. В среднем раньше на разработку материалов требовалось от 10 до 30 лет. Сейчас существует целая научная отрасль «цифровые материалы», которая занимается прогнозированием физических свойств материалов до момента их появления вживую и в каком-то смысле может предсказывать создание новых материалов.
«Мы в этом кластере работаем уже на протяжении трех лет и здесь понимаем, что ускорение разработки цифрового материала (в данном случае это углеродный композит, который используется как рабочий элемент генератора) очень сильно зависело от специалистов по экспертизе в области цифрового моделирования», – заметила Ольга Квашенкина.
Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока
Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.
О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.
Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.
Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры – термостаты. Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.
Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.
Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц — фононов.
Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл — это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.
При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.
При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.
В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье.
Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.
А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей – это охлаждение небольших объектов или микросхем.
Термоэлектрический охлаждающий модуль
Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, кварцевые генераторы в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.
С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.
Пример практического использования эффекта Пельтье
Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.
Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье
И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.
Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.
Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов – твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.
P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию.
Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля (термоэлектрического генератора) смотрите на этом видео:
А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!
Источник: http://electrik.info
термодинамика — Почему эффективность эффекта Пельтье / Зеебека в практических устройствах так низка?
Чтобы достичь эффективности Карно, материалы, из которых состоит ТЭГ, должны иметь бесконечное значение ZT.
2T}{\kappa}$, где $\kappa$ — теплопроводность , $\sigma$ — электропроводность, $S$ — коэффициент Зеебека, $T$ — абсолютная температура.
Это значение не может достигать бесконечности.
Поэтому хороший материал-кандидат должен обладать хорошей электропроводностью, низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом Зеебека. На практике металлы выбрасываются, потому что они каким-то образом подчиняются закону Видемана-Франца, который гласит, что хороший электрический проводник является также хорошим проводником тепла, и это верно для большинства металлов. У изолятора высокие значения $S$, но чрезвычайно низкие значения $\sigma$, поэтому они также не являются хорошими кандидатами. Лучшими кандидатами являются сильно легированные полупроводники, которые занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами (обратите внимание, что существует теоретическое оптимальное значение концентрации легирования). Для полупроводников можно разделить теплопроводность на решеточный вклад и на электронный вклад: $\kappa = \kappa_l + \kappa_e$.
Хотя $\kappa_e$ достаточно хорошо удовлетворяет закону Видемана-Франца, часть $\kappa_l$ от него не зависит. Это означает, что если уменьшить вклад решетки в теплопроводность, то увеличивается коэффициент ZT. На практике такое уменьшение достигается различными способами, такими как создание очень сложных материалов (с очень большими химическими формулами) со сложной геометрией кристаллической структуры, влияющих на распространение фононов. В настоящее время многие исследователи работают над конструкционными материалами с очень низким значением $\kappa_l$.
Если мы обратимся к сверхпроводникам, то у них, к сожалению, исчезающий коэффициент Зеебека, поэтому они совершенно не способны генерировать энергию из разницы температур посредством эффекта Зеебека. т.е. их нельзя использовать в качестве материалов для выработки энергии в ТЭГ или для охлаждения в модуле Пельтье.
Обратите внимание, что существует теоретическое минимальное значение $\kappa$, которое может быть достигнуто, примерно такое же, как у стакана.
Так как $S$ также ограничено (не может быть сколь угодно большим), что часто связано с электропроводностью через формулу Мотта, и поскольку мы уже видели, что сверхпроводники (где можно было бы подумать, что $\sigma$ равно бесконечности а правильнее было бы сказать, что $\rho$ обращается в нуль), у $ZT$ не осталось никакой надежды достичь бесконечности.
Это только объясняет, почему термоэлектрические материалы приводят к тепловым двигателям, эффективность которых не соответствует эффективности Карно.
Теперь самое печальное: значение ZT коммерческих ТЭГ составляет около 0,7 при комнатной температуре (материал Bi2Te3, который используется с 1970-х годов, несмотря на многие десятилетия улучшений!). В лаборатории нашли материал с ZT выше 2, но такой материал настолько химически нестабилен и хрупок, что его нельзя использовать для изготовления модулей ТЭГ или Пельтье. Это настоящая причина, почему термоэлектрические двигатели имеют такой низкий КПД. До сих пор нет материала с высоким ZT, несмотря на безумные усилия десятилетий.
Даже DFT (теория функционала плотности), примененная ко всем элементам периодической таблицы, использовалась для предсказания хороших кандидатов, и лучшие кандидаты имели жалкие значения ZT по сравнению с эффективностью, получаемой от солнечных батарей и многих тепловых двигателей.
термодинамика. Объединение термоэлектрических генераторов для повышения эффективности
спросил
Изменено 14 дней назад
Просмотрено 1к раз
$\begingroup$
Насколько мне известно, термоэлектрический генератор имеет КПД порядка 5-8%. Это означает, что он использует 5% тепла и преобразует их в электричество. Отдых 95% рассеивается через другую сторону. Таким образом, я могу повысить эффективность, укладывая модули друг на друга и снова и снова преобразовывая рассеянное тепло в электричество.
- термодинамика
- энергетика
- энергосбережение
- термоэлектричество
- эффективное использование энергии
$\endgroup$
$\begingroup$
Если бы температура холодной стороны верхнего генератора не изменилась при штабелировании, то генератор не заметил бы, что что-то еще было прикреплено.
И тогда вывод будет таким же. Но это будет означать промежуточную температуру, равную температуре холодной стороны перед штабелированием. Тогда температура холодной стороны для стека должна быть еще ниже — таким образом, мы говорим здесь о совершенно другом сценарии применения, и я сомневаюсь, что вы имеете в виду это.
Также обратите внимание, что термоэлектрические генераторы по-прежнему ограничены эффективностью Карно. Укладка — часто называемая сегментацией — сделанная с использованием надлежащих материалов, каждый из которых оптимизирован для диапазона температур в своем конкретном положении в стеке, действительно продемонстрирует повышенную общую эффективность и в настоящее время является горячей темой исследований. Основная проблема заключается в том, что на каждом контактном интерфейсе есть контактные потери в виде сопротивления электронной проводимости или снижения важного коэффициента Зеебека. По этой причине используемые механизмы соединения очень и очень важны; может быть, самый важный.
