Что такое термоэдс. Термоэдс (термоэлектродвижущая сила): принцип действия, применение, перспективы

Эффект Зеебека (ЭЗ, термоэлектрический эффект) определяет появление разницы потенциалов в месте соединения двух разнотипных материалов после нагрева определяемого участка. Эффект назван в честь ученого, который выявил его в 1822 году. В это время был проведен опыт нагрева контактов двух различных по типу сплава материалов, где был взят висмут и сурьма. Фиксирование полученных изменений было произведено за счет гальванометра. Удерживая участок стыка соединённых металлов, ученый обнаружил, что магнитная стрелка поменяла свое положение. Конечно, эта разница была не столь заметной, но дальнейшие опыты привели к требуемому результату.

Термоэлектрический эффект был обнаружен по причине возникновения движущейся электрической силы в рамках замкнутого контура, который состоял из разных материалов. Со временем было выявлено, что разница температур вызвана появляющимся термоэдс, следствием которого является возникновение тока в замкнутом контуре. На сегодняшний день эффект Зеебека полностью изучен и нашел свое применение во многих сфера деятельности человека. Но, самая высокая его востребованность наблюдается в производстве термопар.

Устройство

Термоэлектрический эффект заключается в производстве термопар, состоящих из 2-х разнородных сплавов, которые при контакте образуют замкнутый контур. Каждый металл имеет свой коэффициент Зеебека из-за чего между нагретым, и не нагретым проводником термопары появляется напряжение. Именно за счет этого напряжения и определяется термическая составляющая, т. к. оно прямо пропорционально разности температурных значений металлов.

Эффект Зеебека применим в большинстве термоэлектрических устройств. В большей части структур термоэлектрических генераторов включены термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов. Они могут быть соединены в параллельном или в последовательном порядке. Еще к ним относятся теплообменники нагреваемых и не нагреваемых спаев термобатарей.

В стандартной схеме цепи термоэлектрических генераторов имеются:

• Полупроводниковый термоэлемент, выполненный из ветвей проводимости по типу p- и n-. У этих контактов знаки коэффициента термической движущей силы разные.

• Пластины коммутации, имеющие нагреваемые и не нагреваемые спаи.

• Активная нагрузка.

Во время включения термического элемента к нагрузке контура по нему начинает проходить постоянный ток, вызванный ЭЗ. Протекающее электричество поглощается спайками и выделяется в виде тепла. Для обеспечения высокого уровня ЭДС, подобные полупроводники должны обладать высокой электропроводностью. Чтобы получить существенный перепад температуры на промежуточном участке между спаями, достаточна их невысокая тепловая проводимость. Такими характеристиками наилучшим образом обладают материалы с высоким легированием.

Принципы действия

Главным образом эффект Зеебека действует по принципу того, что в замкнутом контуре двух разных материалов ЭДС появляется тогда, когда их контакты имеют разные температурные значения. Иными словами, значение ЭДС зависит от состава проводников и их температур. Если в наличии проводника есть температурный градиент, то по всей его длине будет наблюдаться увеличенная скорость электронов на нагретом конце и более низкая на ненагретом. По законам физики, электроны с нагретого конца направятся к противоположной стороне. В данном участке будет скапливаться отрицательный заряд. Противоположная сторона будет иметь накопление положительно заряженных частиц.

Заряды будут накапливаться до тех пор, пока потенциальное отличие не достигнет показателей, при которых электроны потекут обратно. В данных условиях потенциал начнет приобретать равновесие.

Эффекту Зеебека характерны различные свойства:

• Между контактами возникает разность потенциалов. На разных контактирующих друг с другом проводках энергия Ферми также разная. При замыкании цепи потенциалы электронов будут иметь одинаковое состояние, а между контактами возникнет разность потенциалов. На контактах появится электрическое поле, локализованное в тонком приграничном слое.

• В условиях замыкания цепи на проводках появится напряжение. Направление электрополя в двух контактах продвигается от большего к меньшему. При изменении термических значений напряжение также будет меняться. Но, в условиях изменения разности потенциалов изменится и электрическое поле в одном из контактов, результатом чего будет возникновение ЭДС в контуре. Если температура проводников будет равной, то объемная и контактная ЭДС приравняются к отметке 0.

• Возникает фоновое увеличение. Если в твердом теле появляется градиент термического диапазона количество фонов, направляющихся к концу ненагретого проводника, увеличится. Их число будет возрастать сравнительно с теми, которые направляются к обратной стороне. Из-за столкновения с электронами фононы утянут за собой и другие. В итоге прогретый проводник накопит отрицательные заряды. А к нагретому проводнику будут прибывать положительные частицы, пока разница потенциалов не уравняется с эффектом увеличения. Разность потенциалов при низких температурах способна достигать параметров выше в сотни раз.

• В проводниках с магнитными свойствами наблюдается магнонное увеличение. ЭДС возникает вследствие увеличения электронов магнонами.

Применение на практике

Устройства, созданные по принципу Зеебека, нашли широкое применение в быту и повседневной жизни людей. Например, приходя в сауну практически никто не задумывается, что температуру в ней контролируют за счет обычной термопары.

Термопара — это термоэлектрический измеритель, выполненный из двух разнородных металлов, которые между собой соединены за счет сварки. Один из ее концов помещают в самой сауне, а другой просто выводят наружу и подсоединяют к измерительному прибору. Когда воздух в сауне прогревается, разные концы термопары находятся в совершенно разной термической атмосфере и работаю при разных значениях. В таких условиях возникает градиент температур, что приводит к возникновению термического тока. Датчик к которому подключен ненагреваемый конец термопары преобразовывает термический ток в температурный показатель и автоматизирует подключение и отключение печи при наборе или спаде заданной температуры. Таким образом, осуществляется не только контроль, но и регуляция температуры в помещении сауны. Интересно знать, что если доступ к блоку управления температурой закрыт, например, в городских банях, то проводить управление температурой можно и без него. Для этого нужно можно на конец термопары намотать смоченную в холодной воде ветошь (ткань). Термопара охладится, и печь продолжит нагрев.

Применение

Примером использования эффекта Зеебека служат множество современных устройств: сенсоры напряжения, температурные датчики, измерители газового давления, термические электрогенераторы, контролеры интенсивности освещения и мн. др.

Приборы, работающие по принципу Зеебека, применяют:

• В системах навигации;

• В генераторах, промышленного и бытового значения;

• В энергетически обеспечительных установках космического назначения;

• В преобразователях солнечной энергии.

• В отопительном оборудовании.

• В установках служащих для перекачивания и переработки нефтяной продукции и газа;

• В преобразователях тепловой энергии, вырабатываемой природными источниками.

Будущее

Эффектом Зеебека сильно заинтересованы ученые всего мира. Совсем недавно американские ученые разработали технологию, позволяющую использовать данный принцип с большой эффективностью. Основным недостатком современного оборудования является невозможность с помощью ЭЗ вырабатывать энергию в супер огромном количестве даже в условиях применения сильнолегированных металлов с высокой разностью температур.

Научные деятели предложили прибегнуть к немагнитным проводникам, которые можно устанавливать во внешнее магнитное поле с температурными пределами 2-20 К. В данном случае должен возникнуть огромный спиновый эффект Зеебека. Применение таких термических измерителей даст возможность значительно увеличить показания используемых приборов, расширить их функциональные возможности и сферы применения.

Самым простым примером является их применение в роли устройств для отвода тепла в системах кондиционирования и охлаждения. За счет того, что движущиеся частицы в данном случае будут отсутствовать, а дешевые материалы для их функционирования будут работоспособными много лет — это чрезвычайно выгодно. Термопары нового поколения даже смогут выдавать ток для подпитки приборов, которые сами его выделяют. Их можно применять для охлаждения компьютерного процессора. А спиновой эффект можно будет использовать для производства электронных устройств нового поколения.

ТЕРМОЭДС — Физический энциклопедический словарь

Электродвижущая сила ?, возникающая в электрич. цепи, состоящей из неск. разнородных проводников, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ру (Зеебека эффект). Если электрич. цепь состоит из двух разл. проводников, она наз. термоэлементом или термопарой. Величина Т. зависит только от темп-р горячего T1 и холодного Т2 контактов и от материалов проводников. В небольшом интервале темп-р (0—100°С) ?=a(T1-T2). Коэфф. a наз. коэфф. Зеебека (термоэлектрич. способностью пары, т е р м о с и л о й, к о э ф ф и ц и е н т о м т е р м о э д с или у д е л ь н о й т е р м о э д с), зависит от материала проводников и интервала темп-р (табл.).

Цифры, приведённые в таблице, условны, т. к. Т. чувствительна к микроскопич. кол-вам примесей, к ориентации крист. зёрен. Т. может возникнуть в цепи, состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергались разл. технол. операциям. Она не меняется при последоват. включении в цепь любого кол-ва др. материалов, если появляющиеся при этом дополнит. места контактов поддерживают при одной и той же темп-ре.

ЗНАЧЕНИЯ a ДЛЯ НЕК-РЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К Pb.

Знак «+» указывает, что ток течёт от Pb к данному металлу через более нагретый спай, а знак «-» — через холодный спай.

Если вдоль проводника существует градиент темп-р, то эл-ны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. В полупроводниках, кроме того, концентрация эл-нов растёт с темп-рой. В результате возникает поток эл-нов от горячего конца к холодному, на холодном конце накапливается отрицат. заряд, а на горячем. остаётся нескомпенсированный положит. заряд. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный обратный поток эл-нов. Алгебр. сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих Т., к-рую наз. объёмной. Др. составляющие Т. связаны с температурной зависимостью контактной разности потенциалов и с эффектом увлечения эл-нов фононами (см. УВЛЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТ). Т. к. число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, больше, чем движущихся навстречу, то в результате увлечения ими эл-нов на холодном конце накапливается отрицат. заряд. Эта составляющая Т. при низких темп-рах может быть в десятки и сотни раз больше других. В магнетиках играет роль также увлечение эл-нов магнонами.

Т. металлов очень мала. Сравнительно больше Т. в полуметаллах и их сплавах, а также в нек-рых переходных металлах и их сплавах (напр., в сплавах Pb с Ag Т. достигает 86 мкВ/К). Т. велика из-за того, что ср. энергия эл-нов в потоке сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые эл-ны обладают меньшей диффуз. способностью, чем медленные, и Т. меняет знак. Величина и знак Т. зависят также от формы ферми-поверхности, разл. участки к-рой могут давать в Т. вклады противоположного знака. Знак Т. металлов иногда меняется на противоположный при низких темп-рах. В дырочных ПП на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остаётся нескомпенсированный отрицат. заряд (если аномальный механизм рассеяния или эффект увлечения не приводят к перемене знака Т.).

В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного ПП, Т. складываются. В ПП со смешанной проводимостью К холодному контакту диффундируют и эл-ны и дырки, и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности эл-нов и дырок равны, то Т. равна нулю.

Источник: Физический энциклопедический словарь на Gufo.me

Значения в других словарях

1. ТЕРМОЭДС — ТЕРМОЭДС — электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры (см. Зеебека эффект). Большой энциклопедический словарь
2. термоэдс — сущ., кол-во синонимов: 1 эдс 1 Словарь синонимов русского языка
3. Термоэдс — Электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, имеющих в местах контактов различную температуру (см. Зеебека эффект, Термоэлектрические явления). Большая советская энциклопедия
4. термоЭДС — орф. термоЭДС, [-эдээс], нескл., ж. Орфографический словарь Лопатина

термоэдс — это… Что такое термоэдс?

Термоэдс — это… Что такое Термоэдс?

ТЕРМОЭДС • Большая российская энциклопедия

ТЕРМОЭДС, элек­тро­дви­жу­щая си­ла U, воз­ни­каю­щая в элек­трич. це­пи, со­стоя­щей из не­сколь­ких раз­но­род­ных про­вод­ни­ков (ме­тал­лов, по­лу­ме­тал­лов, по­лу­про­вод­ни­ков), кон­так­ты ме­ж­ду ко­то­ры­ми под­дер­жи­ва­ют­ся при разл. темп-рах. Элек­трич. цепь, со­стоя­щая из двух разл. про­вод­ни­ков, на­зы­ва­ет­ся тер­мо­эле­мен­том или тер­мо­па­рой. Ве­ли­чи­на T. за­ви­сит от темпе­ра­тур го­ря­че­го T₁ и хо­лод­но­го T₂ кон­так­тов и от ма­те­риа­ла про­вод­ни­ков. В ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур 0–100 °C U=α(T₁—T₂). Ко­эф. α, на­зы­вае­мый ко­эф. Зее­бе­ка или тер­мо­элек­трич. спо­соб­но­стью па­ры, тер­мо­си­лой, ко­эф. Т., удель­ной Т., за­ви­сит от ма­те­риа­ла про­вод­ни­ков и ин­тер­ва­ла тем­пе­ра­тур.

T. в не­пе­ре­ход­ных ме­тал­лах ма­ла, срав­ни­тель­но боль­ше она в по­лу­ме­тал­лах и их спла­вах, а так­же в не­ко­то­рых пе­ре­ход­ных ме­тал­лах и их спла­вах (напр., в спла­вах Pd–Ag ко­эф. T. дос­ти­га­ет 86 мкВ/К). Боль­шая ве­ли­чи­на T. свя­за­на с тем, что ср. энер­гия элек­тро­нов в по­то­ке силь­но от­ли­ча­ет­ся от энер­гии Фер­ми. Ино­гда бы­ст­рые элек­тро­ны об­ла­да­ют мень­шим ко­эф. диф­фу­зии, чем мед­лен­ные, и T. ме­ня­ет знак. Ве­ли­чи­на и знак T. за­ви­сят так­же от фор­мы фер­ми-по­верх­но­сти, разл. уча­ст­ки ко­то­рой мо­гут да­вать вкла­ды про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка в T. Знак T. ме­тал­лов ино­гда ме­ня­ет­ся на про­ти­во­по­лож­ный при низ­ких темп-pax. В по­лу­про­вод­ни­ках n-ти­па на хо­лод­ном кон­так­те ска­п­ли­ва­ют­ся дыр­ки, а на го­ря­чем ос­та­ёт­ся не­ском­пен­си­ро­ван­ный от­ри­ца­тель­ный за­ряд (ес­ли ано­маль­ный ме­ха­низм рас­сея­ния но­си­те­лей за­ря­да или эф­фект ув­ле­че­ния не при­во­дит к из­ме­не­нию зна­ка Т.). В тер­мо­эле­мен­те, со­стоя­щем из по­лу­про­вод­ни­ков р- и п-ти­пов, T. скла­ды­ва­ют­ся. В по­лу­про­вод­ни­ке со сме­шан­ной про­во­ди­мо­стью к хо­лод­но­му кон­так­ту диф­фун­ди­ру­ют и элек­тро­ны, и дыр­ки, и их за­ря­ды вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся. Ес­ли кон­цен­тра­ции и под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок рав­ны, то T. рав­на ну­лю.

Термоэлектрический генератор | Британика

Термоэлектрический генератор , любой из класса твердотельных устройств, которые либо преобразуют тепло непосредственно в электричество, либо преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию для отопления или охлаждения. Такие устройства основаны на термоэлектрических эффектах, включающих взаимодействие между потоком тепла и электричества через твердые тела.

Британика Викторина

Гаджеты и технологии: факты или вымысел?

Голограммы сделаны с камерами.

Все термоэлектрические генераторы имеют одинаковую базовую конфигурацию, как показано на рисунке. Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло течет через термоэлектрический преобразователь к радиатору, температура которого поддерживается ниже температуры источника. Разница температур на преобразователе создает постоянный ток (постоянный ток) для нагрузки ( R _L ), имеющей напряжение на клеммах ( В, ) и ток на клеммах ( I, ).Там нет промежуточного процесса преобразования энергии. По этой причине выработка термоэлектрической энергии классифицируется как прямое преобразование энергии. Количество вырабатываемой электрической энергии задается в виде I ² R _L или В I .

Уникальным аспектом термоэлектрического преобразования энергии является то, что направление потока энергии обратимо.Так, например, если нагрузочный резистор удален и источник питания постоянного тока заменен, термоэлектрическое устройство, показанное на рисунке, можно использовать для отвода тепла от элемента «источника тепла» и понижения его температуры. В этой конфигурации используется обратный процесс преобразования энергии термоэлектрических устройств с использованием электрической энергии для накачки тепла и производства холодильного оборудования.

Эта обратимость отличает термоэлектрические преобразователи энергии от многих других систем преобразования, таких как термоэлектронные преобразователи энергии.Входная электрическая мощность может быть непосредственно преобразована в тепловую мощность накачки для отопления или охлаждения, или входная тепловая мощность может быть напрямую преобразована в электрическую мощность для освещения, эксплуатации электрооборудования и других работ. Любое термоэлектрическое устройство может применяться в любом режиме работы, хотя конструкция конкретного устройства обычно оптимизируется для его конкретной цели.

Систематические исследования начались по термоэлектричеству между 1885 и 1910 годами.К 1910 году немецкий ученый Эдмунд Альтенкирх удовлетворительно рассчитал потенциальную эффективность термоэлектрических генераторов и определил параметры материалов, необходимых для создания практических устройств. К сожалению, металлические проводники были единственными материалами, доступными в то время, что делало невозможным создание термоэлектрических генераторов с КПД более примерно 0,5 процента. К 1940 году был разработан полупроводниковый генератор с эффективностью преобразования 4 процента.После 1950 года, несмотря на расширение исследований и разработок, прирост эффективности термоэлектрической генерации был относительно небольшим, а к концу 1980-х годов его эффективность не превышала 10 процентов. Потребуются более качественные термоэлектрические материалы, чтобы выйти за пределы этого уровня производительности. Тем не менее, некоторые разновидности термоэлектрических генераторов малой мощности доказали свою значительную практическую значимость. Те из них, которые работают на радиоактивных изотопах, являются наиболее универсальным, надежным и обычно используемым источником энергии для изолированных или удаленных объектов, например, для записи и передачи данных из космоса.

Основные типы термоэлектрических генераторов

Термоэлектрические генераторы различаются по геометрии, в зависимости от типа источника тепла и радиатора, требуемой мощности и предполагаемого использования. Во время Второй мировой войны некоторые термоэлектрические генераторы использовались для питания портативных передатчиков связи. Существенные улучшения были сделаны в полупроводниковых материалах и в электрических контактах между 1955 и 1965 годами, что расширило область практического применения. На практике многим устройствам требуется стабилизатор мощности для преобразования выходной мощности генератора в полезное напряжение.

были сконструированы для использования природного газа, пропана, бутана, керосина, реактивного топлива и древесины, и это лишь некоторые из источников тепла. Коммерческие устройства обычно находятся в диапазоне выходной мощности от 10 до 100 Вт. Они предназначены для использования в отдаленных районах в таких приложениях, как навигационные средства, системы сбора данных и связи, а также катодная защита, которая предотвращает электролиз от коррозии металлических трубопроводов и морских конструкций.

Солнечные термоэлектрические генераторы с некоторым успехом используются для питания небольших ирригационных насосов в отдаленных районах и слаборазвитых регионах мира.Была описана экспериментальная система, в которой теплые поверхностные воды океана используются в качестве источника тепла, а более холодные глубоководные воды океана — в качестве радиатора. Солнечные термоэлектрические генераторы были разработаны для подачи электроэнергии на орбитальных космических кораблях, хотя они не могли конкурировать с кремниевыми солнечными элементами, которые имеют лучшую эффективность и меньший вес блока. Однако для теплового контроля орбитальных космических аппаратов были рассмотрены системы с тепловым насосом и генерацией энергии.Используя солнечное тепло с солнечной стороны космического корабля, термоэлектрические устройства могут генерировать электроэнергию для использования другими термоэлектрическими устройствами в темных областях космического корабля и для отвода тепла от транспортного средства.

Генераторы на атомном топливе

Продукты распада радиоактивных изотопов могут быть использованы для создания высокотемпературного источника тепла для термоэлектрических генераторов. Поскольку материалы термоэлектрических устройств относительно невосприимчивы к ядерному излучению и поскольку источник может работать в течение длительного периода времени, такие генераторы обеспечивают полезный источник энергии для многих необслуживаемых и удаленных применений.Например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы обеспечивают электроэнергию для изолированных станций мониторинга погоды, для сбора данных в глубоководных районах океана, для различных систем предупреждения и связи, а также для космических аппаратов. Кроме того, радиоизотопный термоэлектрический генератор малой мощности был разработан еще в 1970 году и использовался для питания кардиостимуляторов. Диапазон мощности радиоизотопных термоэлектрических генераторов обычно составляет от 10 ^{-60026 до 100 Вт.}

Термоэлектрический генератор | Британика

Термоэлектрический генератор , любой из класса твердотельных устройств, которые либо преобразуют тепло непосредственно в электричество, либо преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию для отопления или охлаждения. Такие устройства основаны на термоэлектрических эффектах, включающих взаимодействие между потоком тепла и электричества через твердые тела.

Британика Викторина

Гаджеты и технологии: факты или вымысел?

Флэш-память чаще всего используется в портативных устройствах.

Все термоэлектрические генераторы имеют одинаковую базовую конфигурацию, как показано на рисунке. Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло течет через термоэлектрический преобразователь к радиатору, температура которого поддерживается ниже температуры источника. Разница температур на преобразователе создает постоянный ток (постоянный ток) для нагрузки ( R _L ), имеющей напряжение на клеммах ( В, ) и ток на клеммах ( I, ).Там нет промежуточного процесса преобразования энергии. По этой причине выработка термоэлектрической энергии классифицируется как прямое преобразование энергии. Количество вырабатываемой электрической энергии задается в виде I ² R _L или В I .

Уникальным аспектом термоэлектрического преобразования энергии является то, что направление потока энергии обратимо.Так, например, если нагрузочный резистор удален и источник питания постоянного тока заменен, термоэлектрическое устройство, показанное на рисунке, можно использовать для отвода тепла от элемента «источника тепла» и понижения его температуры. В этой конфигурации используется обратный процесс преобразования энергии термоэлектрических устройств с использованием электрической энергии для накачки тепла и производства холодильного оборудования.

Эта обратимость отличает термоэлектрические преобразователи энергии от многих других систем преобразования, таких как термоэлектронные преобразователи энергии.Входная электрическая мощность может быть непосредственно преобразована в тепловую мощность накачки для отопления или охлаждения, или входная тепловая мощность может быть напрямую преобразована в электрическую мощность для освещения, эксплуатации электрооборудования и других работ. Любое термоэлектрическое устройство может применяться в любом режиме работы, хотя конструкция конкретного устройства обычно оптимизируется для его конкретной цели.

Систематические исследования начались по термоэлектричеству между 1885 и 1910 годами.К 1910 году немецкий ученый Эдмунд Альтенкирх удовлетворительно рассчитал потенциальную эффективность термоэлектрических генераторов и определил параметры материалов, необходимых для создания практических устройств. К сожалению, металлические проводники были единственными материалами, доступными в то время, что делало невозможным создание термоэлектрических генераторов с КПД более примерно 0,5 процента. К 1940 году был разработан полупроводниковый генератор с эффективностью преобразования 4 процента.После 1950 года, несмотря на расширение исследований и разработок, прирост эффективности термоэлектрической генерации был относительно небольшим, а к концу 1980-х годов его эффективность не превышала 10 процентов. Потребуются более качественные термоэлектрические материалы, чтобы выйти за пределы этого уровня производительности. Тем не менее, некоторые разновидности термоэлектрических генераторов малой мощности доказали свою значительную практическую значимость. Те из них, которые работают на радиоактивных изотопах, являются наиболее универсальным, надежным и обычно используемым источником энергии для изолированных или удаленных объектов, например, для записи и передачи данных из космоса.

Основные типы термоэлектрических генераторов

Термоэлектрические генераторы различаются по геометрии, в зависимости от типа источника тепла и радиатора, требуемой мощности и предполагаемого использования. Во время Второй мировой войны некоторые термоэлектрические генераторы использовались для питания портативных передатчиков связи. Существенные улучшения были сделаны в полупроводниковых материалах и в электрических контактах между 1955 и 1965 годами, что расширило область практического применения. На практике многим устройствам требуется стабилизатор мощности для преобразования выходной мощности генератора в полезное напряжение.

были сконструированы для использования природного газа, пропана, бутана, керосина, реактивного топлива и древесины, и это лишь некоторые из источников тепла. Коммерческие устройства обычно находятся в диапазоне выходной мощности от 10 до 100 Вт. Они предназначены для использования в отдаленных районах в таких приложениях, как навигационные средства, системы сбора данных и связи, а также катодная защита, которая предотвращает электролиз от коррозии металлических трубопроводов и морских конструкций.

Солнечные термоэлектрические генераторы с некоторым успехом используются для питания небольших ирригационных насосов в отдаленных районах и слаборазвитых регионах мира.Была описана экспериментальная система, в которой теплые поверхностные воды океана используются в качестве источника тепла, а более холодные глубоководные воды океана — в качестве радиатора. Солнечные термоэлектрические генераторы были разработаны для подачи электроэнергии на орбитальных космических кораблях, хотя они не могли конкурировать с кремниевыми солнечными элементами, которые имеют лучшую эффективность и меньший вес блока. Однако для теплового контроля орбитальных космических аппаратов были рассмотрены системы с тепловым насосом и генерацией энергии.Используя солнечное тепло с солнечной стороны космического корабля, термоэлектрические устройства могут генерировать электроэнергию для использования другими термоэлектрическими устройствами в темных областях космического корабля и для отвода тепла от транспортного средства.

Генераторы на атомном топливе

Продукты распада радиоактивных изотопов могут быть использованы для создания высокотемпературного источника тепла для термоэлектрических генераторов. Поскольку материалы термоэлектрических устройств относительно невосприимчивы к ядерному излучению и поскольку источник может работать в течение длительного периода времени, такие генераторы обеспечивают полезный источник энергии для многих необслуживаемых и удаленных применений.Например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы обеспечивают электроэнергию для изолированных станций мониторинга погоды, для сбора данных в глубоководных районах океана, для различных систем предупреждения и связи, а также для космических аппаратов. Кроме того, радиоизотопный термоэлектрический генератор малой мощности был разработан еще в 1970 году и использовался для питания кардиостимуляторов. Диапазон мощности радиоизотопных термоэлектрических генераторов обычно составляет от 10 ^{-60026 до 100 Вт.}

Моделирование термоэлектрического генераторного устройства

1. Введение

Увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива для производства электрической и тепловой энергии послужило стимулом для разработки альтернативных эффективных и чистых источников энергии. в том числе для рекуперации отработанного тепла в электроэнергию. Многочисленные системы выработки электроэнергии, такие как солнечные батареи, ветряные турбины и геотермальные электростанции, которые используют возобновляемые источники энергии, были разработаны, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива, таким образом уменьшая выбросы парниковых газов.Тем не менее, такие системы выработки электроэнергии требуют значительного технического обслуживания и часто являются дорогостоящими по сравнению с термоэлектрическими генераторными устройствами (ТЭГ). Устройство термоэлектрического генератора (ТЭГ) — это устройство, которое непосредственно преобразует тепло в электричество. По сути, ТЭГ является термоэлектрическим модулем (ТЭМ), который состоит из термобатарей, то есть набора термопар, построенных из ветвей полупроводников p- и n-типа, которые соединены электрически последовательно и термически параллельно [1, 2]. Термопары, построенные на ножках из полупроводников p- и n-типа, зажаты между двумя керамическими пластинами, которые должны выдерживаться при двух разных температурах для реализации режима генерации.Температурный градиент, индуцируемый между верхней и нижней керамическими пластинами, вызывает напряжение на полюсах ТЭГ из-за эффекта Зеебека в термопарах, построенных из ветвей полупроводников p- и n-типа.

Использование отработанного тепла в качестве источника тепла для ТЭГ является экономически эффективным, поскольку отработанное тепло является бесплатным и уже доступно. Известно, что около 70% мирового производства энергии уходит в атмосферу за счет рассеивания тепла, что является одним из значительных вкладов в глобальное потепление [3]. Следовательно, использование отработанного тепла путем преобразования в электричество с использованием ТЭГ может также способствовать экономии энергии и сохранению окружающей среды.Термоэлектрическое устройство также может работать в режиме реверса в качестве термоэлектрического охладителя (ТЭО) и создавать обратный градиент температуры между верхней и нижней керамическими пластинами за счет эффекта Пельтье, если применяется электрическое смещение. В зависимости от режима работы подача напряжения смещения на термоэлектрический модуль (TEM) и, следовательно, инициирование протекания электрического тока приводят к образованию разницы температур между верхней и нижней пластинами, а TEM действует как термоэлектрический охладитель (TEC) и наоборот; размещение ТЭМ в температурном градиенте приводит к появлению напряжения на полюсах ТЭМ, а ТЭМ действует как тепловой насос с функцией термоэлектрического генератора (ТЭГ) [4].

Термоэлектрические устройства обладают различными преимуществами по сравнению с другими системами производства электроэнергии [5]. TEG представляют собой привлекательные системы производства электроэнергии, поскольку они представляют собой бесшумные твердотельные устройства без движущихся частей, безопасны для окружающей среды, масштабируемы от небольших до гигантских источников тепла и обладают высокой надежностью. Они также имеют увеличенный срок службы и способность использовать низкую тепловую энергию для выработки электрической энергии.

2. Принцип работы ТЭГ

2.1. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека описывает индукцию напряжения, когда соединения двух разных проводящих материалов поддерживаются при разных температурах, как показано на рисунке 1.Эффект Зеебека увеличивается по величине, когда увеличивается коэффициент Зеебека проводящих материалов и / или разность температур между их соединениями. Напряжение, индуцированное эффектом Зеебека, определяется следующим образом:

, где α — коэффициент Зеебека, а ΔT — разность температур между горячим и холодным спаями.

Рисунок 1.

Эффект Зеебека.

2.2. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье описывает рассеяние или поглощение тепла при соединении двух проводящих материалов, когда ток протекает через соединение, как показано на рисунке 2.В зависимости от направления протекания тепла при подключении тепло либо поглощается, либо рассеивается.

Рисунок 2.

Эффект Пельтье.

2.3. Эффект Томсона

Эффект Томсона описывает рассеивание или поглощение тепла, когда электрический ток проходит через цепь, состоящую из одного материала, который имеет изменение температуры вдоль своей длины, как показано на рисунке 3. ΔQ представляет рассеивание тепла, когда электрический ток протекает через однородный проводник.Коэффициент Томсона определяется вторым соотношением Кельвина [6–9]:

Рис. 3.

Эффект Томсона.

, где µ и T, соответственно, символизируют коэффициент Томсона и температуру. Если коэффициент Зеебека α не зависит от температуры, то коэффициент Томсона равен нулю.

2.4. Джоулевое нагревание

Джоулево-нагревательный эффект определяет тепло, рассеиваемое материалом с ненулевым электрическим сопротивлением в присутствии электрического тока, как показано на рисунке 4,

Рисунок 4.

Джоуля отопления.

3. Структура ТЭГ

3.1. Трехмерное представление комплексной работы ТЭГ

ТЭГ состоят из множества ветвей (слябов), изготовленных из полупроводников p- и n-типа, образующих термопары, все они соединены электрически последовательно и термически параллельно. Полупроводниковые ветви соединены друг с другом посредством проводящих медных выступов, и они зажаты между двумя керамическими пластинами, которые проводят тепло, но ведут себя как изоляторы для электрического тока.Принципиальная схема трехмерного (3-D) многоэлементного термоэлектрического генератора показана на рисунке 5.

Рисунок 5.

Трехмерная схема многоэлементного ТЭГ.

Отработанное тепло из различных источников, таких как выхлопные газы автомобильных двигателей, промышленные и инфраструктурные работы, геотермальные и другие, может подаваться на верхнюю керамическую пластину TEG. Как показано на рисунке 5, тепло проходит через керамическую пластину и медные проводники до того, как достигнет верхней поверхности ветвей p- и n-типа, изготовленных из соответствующих полупроводников, что определяется как горячая сторона TEG.Тепло течет через обе ветви полупроводника, а затем снова через медные проводники и нижнюю керамическую пластину. Благодаря радиатору нижняя керамическая пластина поддерживается при значительно более низкой температуре, чем верхняя керамическая, для того чтобы создать высокотемпературный градиент, который приведет к высокой выходной мощности. Допустимая температура, наносимая на верхнюю и нижнюю керамические пластины, зависит от материалов ножек p- и n-типа. Кроме того, материалы p- и n-типа предназначены для обеспечения низкой теплопроводности, чтобы максимально ограничить тепловой поток через полупроводники и поддерживать разность температур между горячей и холодной сторонами TEG.

Графическое распределение температуры вдоль ветвей ТЭГ при условной разности температур ΔT между горячей и холодной сторонами показано на рисунке 6.

Рисунок 6.

Градиент температуры внутри ТЭГ.

После того, как температурный градиент был вызван между горячей и холодной сторонами ТЭГ, возникло напряжение на положительных и отрицательных полюсах ТЭГ из-за эффекта Зеебека, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7.

Распределение напряжения внутри ТЭГ.

Напряжение, генерируемое в ТЭГ в результате эффекта Зеебека, вызывает движение носителей заряда в ветвях полупроводника p- и n-типа, и, следовательно, электрический ток в электрической цепи, включая нагрузочный резистор RL, соединенный с полюсами TEG, сформированная плотность тока, отображается в Рисунок 8.

Рисунок 8.

Плотность тока в пределах ТЭГ.

3.2. 1-D представление TEG

Создание одномерного (1-D) представления TEG полезно при определении аналитических выражений поглощенной и отводимой теплоты, поскольку выходная мощность TEG определяется как разница между поглощенной и отводимой теплой , На рисунке 9 представлена ​​1-D схема ТЭГ с источником и теплоотводом, соответственно, нанесенными сверху и снизу ТЭГ.

Рисунок 9.

1-D схема многоэлементного ТЭГ.

,

TH, QH и KHare, соответственно, температура источника тепла, тепло, подводимое от источника тепла к TEG, и теплопроводность горячей стороны TEG. TL, QL и KLare, соответственно, температура радиатора, тепло, отводимое от ТЭГ к радиатору, и теплопроводность холодной стороны ТЭГ. И т. Д. Определите температуру горячего спая термопар и тепловой поток через горячие спая ТЭГ. Tcand Qc Опишите температуру при холодном спайке термопар и тепловой поток через холодные спая ТЭГ.Предполагая, что термоэлектрические свойства не зависят от температуры, α, k, ρ могут, соответственно, определяться как постоянный коэффициент Зеебека, постоянная теплопроводность и постоянное удельное электрическое сопротивление.

3.3. Сопротивление электрической сети

Сеть электрического сопротивления ТЭГ показана на рисунке 10. Полупроводниковые ветви P-типа и n-типа электрически соединены друг с другом последовательно посредством медных проводящих контактов.

Рисунок 10.

Сопротивление электрической сети.

Rpand Rn — электрическое сопротивление, связанное, соответственно, с ветвями полупроводника p- и n-типа. Rcpeh, Rcpec и RLare, соответственно, электрическое сопротивление медных проводящих полос на горячей стороне, электрическое сопротивление медных проводящих полос на холодной стороне и сопротивление внешней нагрузки.

3.4. Тепловое сопротивление сети

Тепловое сопротивление ТЭГ показано на рисунке 11 и помогает определить скорость теплопередачи через керамические пластины, медные полосы и полупроводниковые ветви p- и n-типа.Количество термопар составляет N .

Рисунок 11.

Тепловое сопротивление сети.

Teceh, Ticeh и Rcehare, соответственно, внешняя температура горячей керамической пластины, внутренняя температура горячей керамической пластины и тепловое сопротивление, связанное с керамической плитой на горячей стороне. Th, Rcph и Rtegare, соответственно, температура в горячем спайке ветвей полупроводника p- и n-типа, термическое сопротивление медной полосы на горячей стороне и тепловое сопротивление полупроводника p- и n-типа.Tc, Rcpc и Ticec — это, соответственно, температура в холодном соединении ветвей полупроводника p- и n-типа, термическое сопротивление керамической пластины на холодной стороне и внутренняя температура холодной керамической пластины. Rcecand Tececare, соответственно, термостойкость холодной керамической пластины и внешняя температура холодной керамической пластины.

4. Теоретическая модель

4.1. Анализ свойств и геометрии термоэлектрических материалов ТЭГ

Термоэлектрические материалы ветвей ТЭГ, полупроводников p- и n-типа характеризуются параметром, называемым добротностью Z, , который измеряет способность термоэлектрических материалов преобразовывать тепло в электрическую. мощность.Показатель качества выражается следующим образом:

,

, где α, ρ и kare соответственно коэффициент Зеебека, удельное электрическое сопротивление и теплопроводность термоэлектрических материалов. Великолепные термоэлектрические материалы обладают высоким коэффициентом Зеебека, низким удельным электрическим сопротивлением и низкой теплопроводностью [10].

Чтобы получить максимальную добротность, при проектировании ТЭГ геометрия ветвей полупроводника и свойства термоэлектрических материалов должны удовлетворять следующему уравнению [1, 11]:

Ap2Ln2An2Lp2 = knρpkpρn, E4

, где Ap, An, Lp , Ln, kp, kn, ρp и ρnare, соответственно, площадь поперечного сечения, длина, теплопроводность и удельное электрическое сопротивление ветвей полупроводника p- и n-типа.

Для сокращения производственных затрат изготавливаются полупроводниковые ветви p- и n-типа с одинаковой геометрией, то есть Ap = An = A и Lp = Ln = L. Аналогично, полупроводниковые ветви p- и n-типа изготавливаются из легированных сплавов для получения одинаковых термоэлектрических свойств, то есть ρp = ρn, kp = kn и αp = −αn [12].

4.2. Анализ характеристик ТЭГ

Для получения выражений, описывающих характеристики ТЭГ, термопара, построенная из ветвей полупроводников p- и n-типа, извлечена из рисунка 9 и представлена ​​на рисунке 12.Рисунок 12 представляет теплообмен внутри одной термопары. Длина и площадь поперечного сечения полупроводниковых ветвей p- и n-типа равны и обозначены как L и A , соответственно. Стык термопары закреплен на теплопроводящей и электроизоляционной керамической пластине.

Рисунок 12.

Теплообмен внутри термопары ТЭГ.

Qh, Qc, Qkin, Qkout, Qj, Lp, Ln и δcuare, соответственно, тепло, поглощаемое в горячем соединении, тепло, отводимое в холодном соединении, теплопроводность Фурье, передаваемая внутри контрольного объема, теплопроводность Фурье, передаваемая из контрольного объема , Джоулевое нагревание, генерируемое в пределах контрольного объема, длины ножек p- и n-типа и толщины медных электропроводящих полос.

Используя сохранение энергии и допуская одномерное стационарное состояние, уравнение энергии дифференциального контрольного объема внутри ветви полупроводника p-типа можно выразить следующим образом:

Используя расширение Тейлора:

Q (x) — ( Q (x) + ∂Q (x) ∂xdx) + I2ρpApdx = 0, E7

Представляет электрический ток, индуцированный в устройстве TEG:

−∂Q (x) ∂xdx + I2ρpApdx = 0.E8

Закон проводимости Фурье для одного Измерения теплопроводности:

Подставляя уравнение. (9) в уравнение(8):

−∂∂x (−kpAp∂Tp∂x) dx + I2ρpApdx = 0.E10

При условии, что термоэлектрические свойства не зависят от температуры, kp можно вывести из производной и уравнение. (10) можно выразить следующим образом:

kpApd2Tpdx2dx + I2ρpApdx = 0.E11

Интегрирующее уравнение. (11):

∫0xkpApd2Tpdx2dx + ∫0xI2ρpApdx = 0, E12kpAp (dTpdx | x − dTpdx | 0) + I2ρpApx = 0, E13

, где Qp (0) — это теплопроводность pppd ppd ppdp0ppdp0ppdp0ppdppdppdppdppdppd (ppdppdppdpdpdpdpdpd) для pphppp5p0p2 (11):

∫0xkpApd2Tpdx2dx + ∫0xI2ρpApdx = 0; ∫0LpI2ρpApxdx = -∫0LpQp (0) дх, E16kpAp (Тр (Lp) -ТП (0)) + I2ρpApLp22 = -Qp (0) Лп, E17Qp (0) = kpApLp (Th-Тс) -0.5I2ρpLpAp.E20

Рассматривая эффект Пельтье, возникающий в горячем спайке ветви p-типа:

Qph = αpITh + kpApLp (Th-Tc) −0,5I2ρpLpAp, E21

, где Qphis — общее количество тепла, поглощенного в горячем соединении ветви p-типа ,

Использование той же процедуры с теми же граничными условиями для получения теплового потока через ветвь n-типа приводит к выражению Qnhas следующим образом:

Qnh = −αnITh + knAnLn (Th-Tc) −0.5I2ρnLnAn, E22

, где Qnhis — общее тепло поглощается горячим спайком ножки n-типа. Таким образом, общее количество тепла, поглощаемое горячим спайком между ветвями полупроводника p- и n-типа:

Qh = (αp − αn) ITh + (kpApLp + knAnLn) (Th-Tc) −0.5 (ρpLpAp + ρnLnAn) I2.E24

Мы используем тот же метод для получения выражения для тепла, отводимого в холодном соединении ветвей p-типа и n-типа. Следовательно, получается следующее выражение:

Qc = (αp − αn) ITc + (kpApLp + knAnLn) (Th-Tc) +0,5 (ρpLpAp + ρnLnAn) I2.E25

4.3. Эксплуатационные характеристики TEG

TEG характеризуется многочисленными характеристиками производительности, включая тепло, поглощаемое на горячей стороне, тепло, отводимое на холодной стороне, выходная мощность, индуцированное напряжение и ток, протекающий в электрической цепи с нагрузочным резистором.Определение символов ниже из формул. (24) и (25):

Выражения теплового потока через горячий и холодный переходы для полупроводниковых термопар N могут быть выражены следующим образом:

Qh = N (αITh-0.5rI2 + K (Th-Tc)) , E29Qc = N (αITc + 0,5rI2 + K (Th-Tc)). E30

Как указывалось ранее, мощность, генерируемая TEG, определяется как разница между теплом, поглощенным в горячем соединении, и теплом, отводимым в холодном соединении:

P = Qh-Qc = N (αI (Th-Tc) -rI2) .E31

Оптимальный ток, генерируемый в TEG, получается путем первого вывода уравнения.(31) относительно тока следующим образом:

dPdI = N (α (Th-Tc) -2Ir) .E32

Eq. (32) приравнивается к нулю для определения следующего выражения оптимального тока:

Вообще говоря, напряжение, ток и выходная мощность, индуцированные в ТЭГ, состоящем из набора термопар, аналогичного представленному на рисунке 9, соответственно определяются как :

P = I2RL = (α (Th-Tc) r + RL) 2RL, E35V = IRL = α (Th-Tc) r + RLRL, E36

где RL, это нагрузка внешнего сопротивления. Для получения оптимального индуцированного электрического тока и выходной мощности, генерируемой в электрической цепи с помощью ТЭГ, состоящего из набора термопар, внешнее сопротивление должно быть равно общему внутреннему электрическому сопротивлению ветвей полупроводника p- и n-типа.Эффективность ТЭГ определяется следующим образом:

В реальном ТЭГ используются два термоэлектрических материала, то есть полупроводники p- и n-типа. Максимальная эффективность, обеспечиваемая TEG, выражается следующим образом:

ηmax = (1-ThTc) 1 + ZT¯ − 11 + ZT¯ + ThTc, E38

, где Zand T¯are, соответственно, показатель качества p- и n Тип полупроводников и средняя температура между температурами на горячей и холодной сторонах.

4.4. Пример моделирования производительности TEG

Числовой пример используется для оптимизации и анализа влияния определяющих уравнений теплопередачи на выходную мощность, эффективность и индуктивное напряжение ТЭГ.

При численном анализе принята следующая геометрия (Таблица 1).

Приняты следующие термоэлектрические свойства (таблица 2).

Количество пар ( N )	Площадь поперечного сечения ( A )	Длина ( L )
10	2,5 × 2,5 × 10219 2,5 × 2,5 м 2	2 × 10 -3 м

9001 12 9001 901 901 901 915 901 901 901 901 К

αp	αn	ρp = ρn	kp = кн
−185 × 10−6 В / К	1.65 × 10–5 Ом × м	1,47 Вт / ( мК )

Таблица 2.

Термоэлектрические свойства.

Все полученные кривые производительности рассчитаны при температуре горячей стороны до Th = 673K ​​и температуре холодной стороны Tc = 373K.

4.4.1. Мощность и КПД как функция электрического тока

За счет фиксации холодной стороны при температуре Tc = 373K и изменения температуры горячей стороны от 473 до 673 K с шагом 100 K генерируемая мощность ведет себя следующим образом:

Можно наблюдать, что мощность как функция тока ведет себя как парабола с оптимальным значением мощности при определенном токе.На рисунке 13 показано наличие максимального значения тока, которое соответствует оптимальной мощности. Любой ток выше или ниже максимального значения тока генерирует выходную мощность, меньшую, чем оптимальная мощность. Кроме того, когда температура на горячей стороне увеличивается, увеличивается и вырабатываемая мощность.

Рисунок 13.

Выходная мощность ТЭГ в зависимости от электрического тока.

Кривые эффективности, показанные на рисунке 14, ведут себя также как параболы, с конкретным значением тока, максимизирующим эффективность для каждой разности температур.В реальных устройствах ТЭГ всегда работают при оптимальном токе. Следует отметить, что эффективность ТЭГ по-прежнему низка по сравнению с другими методами преобразования энергии. Много усилий было сделано для повышения эффективности [13, 14]. Учитывая, что источников тепла много и они бесплатны, ТЭГ могут стать многообещающими решениями, когда они используются для сбора отработанного тепла в результате промышленной деятельности и систем центрального отопления.

Рисунок 14.

КПД как функция тока.

4.4.2. I-V зависимости

При использовании различных температурных перепадов при поддержании температуры холодной стороны на уровне 373 K напряжение, индуцированное как функция тока, ведет себя так, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15.

Напряжение как функция тока ( I-V зависимости ТЭГ).

Из рисунка 15 видно, что напряжение, индуцированное для каждой разности температур, уменьшается и линейная функция выходного электрического тока. Наклоны ВАХ одинаковы.

4.4.3. Мощность и КПД в зависимости от температуры горячей стороны

При сохранении холодной стороны при температуре 373 К и замене тока в уравнении выходной мощности (уравнение (31)) на оптимальное выражение тока (уравнение (33)) выражение мощности становится функцией температуры на горячей стороне, а на рисунке 16 показано поведение выходной мощности в зависимости от температуры горячей стороны.

Рисунок 16.

Мощность как функция температуры горячей стороны.

Выходная мощность как функция температуры горячей стороны ведет себя как нелинейная кривая, увеличивающаяся с увеличением температуры горячей стороны.

Эффективность TEG как функция температуры горячей стороны показана на рисунке 17.

Рисунок 17.

Эффективность TEG как функция температуры горячей стороны.

4.4.4. Мощность как функция сопротивления внешней нагрузки

На рисунке 18 изображены изменения выходной мощности как функции сопротивления внешней нагрузки. Eq. (35) используется для получения зависимостей, показанных на рисунке 18.

Рисунок 18.

Выходная мощность как функция сопротивления внешней нагрузки.

Оптимальная выходная мощность возникает, когда сопротивление нагрузки приравнивается к внутреннему электрическому сопротивлению общего количества ветвей полупроводника p- и n-типа.

4.4.5. Коэффициент полезного действия в зависимости от добротности (ZT)

Значение ZT является модифицированной добротностью, где T представляет усредненную температуру между температурами горячей и холодной сторон. Для каждой разницы температур эффективность увеличивается с увеличением значения ZT . Следовательно, использование термоэлектрических материалов, обладающих высокими значениями ZT , приводит к высокой эффективности ТЭГ (рис. 19).

Рисунок 19.

Эффективность как функция значения ZT.

ТЭС могут предложить экономически конкурентоспособную возобновляемую энергию Термоэлектростанция может использовать энергию, полученную от океанских волн, для накачивания холодной воды через теплообменник / генератор вблизи поверхности. Теплообменник изготовлен из термоэлектрических материалов, которые могут использовать градиент температуры между теплой и холодной водой для выработки электроэнергии. Предоставлено: Лю. (CC BY 3.0)

(Phys.org) — новое исследование предсказывает, что крупные электростанции, основанные на термоэлектрических эффектах, таких как небольшая разница температур в океанской воде, могут генерировать электричество с меньшими затратами, чем фотоэлектрические электростанции.

Липинг Лю, доцент Университета Рутгерса, предполагает, что термоэлектростанции будут выглядеть как гигантские баржи, сидящие в тропическом океане, где электричество вырабатывается путем нагрева холодной глубокой воды теплой мелкой водой, нагреваемой солнцем.Лю опубликовал статью в New Journal of Physics , в которой он анализирует выполнимость таких электростанций.

«Эта работа посвящена новой идее о крупных экологически чистых электростанциях, которые экономно используют самый большой доступный и устойчивый энергетический резервуар на земле», — сказал Лю Phys.org , говоря об океанах. Это связано с тем, что солнце нагревает поверхностные воды до температуры, которая в тропических регионах примерно на 20 К выше, чем у воды на глубине 600 метров. По сути, поверхностные воды действуют как гигантский резервуар солнечной энергии.

Как объясняет Лю, термоэлектрические электростанции будут работать, собирая энергию океанских волн, чтобы перекачивать холодную воду с глубины в несколько сотен метров через длинный канал. Когда холодная вода приближается к поверхности, она попадает в теплообменник, где нагревается поверхностной водой снаружи. Теплообменник действует как электрический генератор, так как его трубки сделаны из термоэлектрических материалов, которые могут передавать тепло через свои стенки и напрямую преобразовывать перепады температур в электричество.

Крупные океанские термоэлектростанции имеют много преимуществ. С одной стороны, «топливо» или перепады температур бесплатны, неограниченны и легко доступны. Также растения не занимают места на суше. Поскольку они не имеют движущихся твердых частей, они будут иметь низкие затраты на техническое обслуживание. Кроме того, выходная мощность не зависит от времени суток или сезона. И, наконец, метод зеленый, так как он не выделяет выбросы.

Термоэлектростанция также может использовать геотермальные источники для получения градиента температуры.Здесь горячая вода подается в теплообменник / генератор, где она охлаждается воздухом. Предоставлено: Лю. (CC BY 3.0)

Малогабаритные термоэлектрические генераторы уже используются в коммерческих целях в таких областях, как микроэлектроника, автомобили и производство электроэнергии в отдаленных районах. В этих конструкциях эффективность преобразования является наиболее важным фактором, потому что топливо составляет наибольшую часть стоимости. Эффективность преобразования большинства коммерческих устройств составляет от 5% до 10% от идеальной эффективности Carnot, а современные устройства достигают КПД до 20%.Хотя в настоящее время проводятся исследования, направленные на дальнейшее повышение эффективности, все еще существуют пределы того, насколько высоко она может повыситься.

В новой статье Лю показывает, что крупногабаритные термоэлектрические электростанции не должны работать с чрезвычайно высокой эффективностью, чтобы быть экономически конкурентоспособными; вместо этого ключ будет заключаться в разработке простых структур, таких как слоистые композиты, для поддержки массового производства.Эти улучшения направлены на конверсионную способность, которая, в отличие от эффективности, может быть улучшена на несколько порядков. Другими словами, поскольку топливо бесплатно и безгранично, крупные термоэлектрические электростанции могут компенсировать свои размеры, которых им не хватает по эффективности.

Стоимость производства электроэнергии зависит от источника. По данным Министерства энергетики США, предполагаемая стоимость одного мегаватта электроэнергии в год в 2016 году для обычных угольных электростанций составляет около 0,83 млн. Долл. США по сравнению с 1 долл. США.84 миллиона для фотоэлектрических электростанций. Анализ Лю оценивает, что термоэлектростанция могла бы производить электроэнергию менее чем за 1,84 миллиона долларов, хотя точная оценка на данном этапе затруднена. Эта оценка рассчитана для термоэлектрического генератора, который работает в течение 20 лет и использует в качестве топлива воду океана с температурой 10 К. Если вместо этого использовать воду из геотермальных источников, разница температур может составлять 50 К или более, что приведет к еще большему увеличению мощности и снижению стоимости на ватт.

В целом, анализ показывает, что термоэлектростанции выглядят очень многообещающе и могут способствовать решению мировых энергетических проблем. Лю планирует работать для достижения этой цели в будущих исследованиях.

«В настоящее время мы работаем над экспериментальной проверкой прогнозируемого коэффициента мощности термоэлектрических композитов», — сказал Лю. «Как только это будет подтверждено, мы попытаемся изготовить настольный прототип генератора, который использует ледяную воду и горячую воду в качестве« топлива »».

---

На пути к дешевому «искусственному листу», который производит чистое водородное топливо

---

Дополнительная информация: Липинг Лю.«Технико-экономическое обоснование крупных электростанций на основе термоэлектрических эффектов». Новый физический журнал . DOI: 10.1088 / 1367-2630 / 16/12/123019

© 2014 Phys.org

Цитирование : Термоэлектростанции могут предложить экономически конкурентоспособную возобновляемую энергию (2014, 19 декабря) извлечено 1 августа 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2014-12-термоэлектрическая мощность экономически конкурентоспособный-renewable.html

Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.

,