Термоэлектричество представляет собой совокупность явлений, в которых разница температур создаёт электрический потенциал, или электрический потенциал создаёт разницу температур. В современном техническом использовании термин почти всегда относится вместе  к  эффекту  Зеебека,  эффекту  Пельтье  и эффекту Томсона (термоэлектрические явления). По своей этимологии термин “термоэлектричество” мог бы относиться в целом ко всем тепловым двигателям, используемым для генерации электричества, и всем электрическим нагревателям, производимым огромным числом способов, однако реально использование данного термина в таком широком смысле практически не встречается.

В последние время термоэлектричество применяется все шире в таких устройствах как портативные холодильники, кулеры для напитков, охладители электронных узлов, устройства сортировки металлических сплавов и т. д. Один из материалов, наиболее часто применяющихся в подобных устройствах — теллурид висмута Bi2Te3, химическое соединение висмута и теллура.

В настоящее время есть две главные сферы, в которых термоэлектрические устройства могут использоваться для повышения эффективности использования энергии или снижения уровня загрязнения: преобразование отработанного тепла в пригодную для использования энергию и охлаждение.

ВЫРАБОТКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В транспортных средствах двигатели внутреннего сгорания очень неэффективно используют энергию (потребляют только 20-25 % энергии, произведенной в результате сгорания топлива).

Кроме того, вырабатываемая механическая энергия дополнительно расходуется из-за необходимости улучшать рабочие характеристики, применения  бортовых  средств управления и других современных устройств (контроль устойчивости, телематика, навигационные системы, электронное торможение, и т. д.). Чтобы улучшить к.п.д. по топливу, можно преобразовывать бесполезную (в большинстве случаев) тепловую энергию от двигателя в электрическую и использовать её для питания различных устройств в автомобиле. Термоэлектрические устройства таким образом используются, чтобы преобразовать отработанное тепло в используемую энергию, используя эффект Зеебека.

В настоящее время, некоторые электростанции используют метод, известный как когенерация: в дополнение к произведенной электроэнергии вырабатывается тепло, которое используется в альтернативных целях. Термоэлектричество может найти применение в таких системах. Также термоэлектричество может применяться в системах преобразования солнечной энергии.

ОХЛАЖДЕНИЕ

Термоэлектрические устройства, применимые охлаждению, используя эффект Пельтье, могут уменьшить выбросы в атмосферу веществ, истощающих озоновый слой. Такие вещества — гидрохлорофтороуглероды и хлорофтороуглероды — долго были в основе технологий охлаждения. Недавно было принято законодательство, регулирующее использование таких химикатов для охлаждения; текущее международное законодательство контролирует объемы этих веществ, и запрещает их производство после 2020 года в развитых странах и после 2030 года в развивающихся. Подобные запреты и обеспокоенность состояние м окружающей среды способствуют разработке эффективных термоэлектрических охлаждающих элементов. Такие элементы могут уменьшить выброс вредных химикатов и работать тише (так как они — твердые тела и не требуют шумных компрессоров). Парокомпрессорные охладители все еще более эффективны чем охладители Пельтье, но они занимают больше места и сложнее в обслуживании.

Специалисты Хьюстонского университета создали новый класс термоэлектрических соединений. Один из таких материалов преобразует тепло в электричество с рекордной эффективностью.

Термоэлектрические материалы привлекают повышенное внимание исследователей, потому что могут стать источником «чистой» энергии, преобразуя в нее сбросное тепло электростанций или двигателей, пишет Phys.org. Однако среди множества многообещающих термоэлектрических материалов лишь единицы отвечают требованиям, предъявляемым к коммерческому продукту.

Открытие американских ученых интересно именно тем, что позволяет говорить об экономически выгодной технологии. Их соединение состоит из тантала, железа и сурьмы и обладает производительностью в 11,4%. Это значит, что материал вырабатывает 11,4 ватта электричества на каждые 100 ватт тепла, которые потребляет.

Порог практической пользы пролегает примерно на уровне 10%, говорят ученые. Теоретические расчеты показывают, что КПД соединения можно поднять до 14%.

Всего команда рассчитала шесть ранее неизвестных соединений и успешно синтезировала одно, которое продемонстрировало рекордную производительность без использования дорогостоящих веществ.

Правда, процесс производства оказался не из легких, поскольку у входящих в соединение веществ очень разные свойства. К примеру, у тантала точка плавления выше 3000 градусов Цельсия, тогда как у сурьмы — 630 С. Тантал жесткий, а сурьма относительно мягкая, что усложняет дуговую плавку — распространенный метод соединения материалов. Ученые в итоге обратились к другим процессам — шаровой мельнице и горячему прессованию.

Все теоретические расчеты ученые производили с опорой на вычислительные методы. Они подчеркивают, что только благодаря этому смогли добиться таких результатов.

Источники: http://www.nanonewsnet.ru/, https://dic.academic.ru/

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