Результатом работы, проведённой корейскими учёными из Ульсанского национального института науки и технологии (UNIST) во главе с профессором Чоем (Kyoung Jin Choi) стала новая продвинутая система генерации энергии. Её можно установить в любом открытом для солнечного света месте: на стене здания, на окне, интегрировать в одежду — для получения электричества требуется разница температур.Информация об этой разработке была опубликована в августовском номере журнала Nano Energy. Большинство носимых термоэлектрических генераторов (TEG) рассчитаны на разницу температур от 1,5 до 4,1 градусов.

У нового гибридного устройства — носимого солнечного термоэлектрического генератора (W-STEG) — рабочий диапазон намного шире и достигает 20,9°.

Так как полезный выход у термоэлектрических генераторов пропорционален квадратному корню разницы температур, её 5-кратное увеличение открывает перспективы существенного улучшения эффективности преобразования энергии для носимых приложений.

Расширить рабочий диапазон температур удалось, дополнив конструкцию TEG из сплава висмута и теллура локальным солнечным поглотителем — суперрешёткой Ti/MgF₂ на гибкой полимерной подложке. У тестового образца W-STEG с 10 парами термоэлектрических контактов напряжение разомкнутой цепи при солнечном освещении составило 55,15 мВ, а выходная мощность — 4,44 мкВт.

Справка:

Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук.

В основе термоэлектрического эффекта Зеебека лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящем материале вызывает тепловой поток; это приводит к переносу носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов.

В 1834 году Жан-Шарль Пельтье обнаружил обратный эффект, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.

Типы применяемых термоэлектрогенераторов

• Топливные: тепло от сжигания топлива (природный газ, нефть, уголь) и тепло от горения пиротехнических составов (шашек).
• Радиоизотопные: тепло от распада изотопов (распад не контролируется и работа определяется периодом полураспада).
• Атомные: тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), как правило, здесь термоэлектрогенератор — вторая и третья ступень преобразования.
• Солнечные: тепло от солнечных коллекторов (зеркала, линзы, тепловые трубы).

• Утилизационные: Тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы и др).

Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии.

Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:

• КПД: Желателен как можно более высокий КПД;
• Технологичность: Возможность любых видов обработки;
• Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких элементов или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
• Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);
• Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);
• Рабочие температуры: Желателен как можно более широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.

Пути развития и повышения КПД

• • Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.
  • Эффективный и совместимый с теплообменником жидкометаллический теплоноситель.
  • Расширение использования высококачественной керамики в конструкции ТЭГ.
  • Унификация узлов, приспособленных для разных случаев применения.
  • Предельное повышение энергоплотности ТЭГов до уровня автомобильных и авиационных двигателей и выше.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!