Эффект Зеебака, также известный всем как термоэлектрический эффект, представляет собой уникальное явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой цепи из разнородных проводников в виде разных специальных термоэлектрических материалов (ТЭМ), которые соединены последовательно и имеют разность температур на своих стыках. Обратным эффектом Зеебака является эффект Пельтье. К термоэлектрическим материалам относят сплавы с полупроводниковыми свойствами, а также химические соединения, обладающие значимыми термоэлектрическими параметрами, что делает их пригодными для использования в термоэлектрических устройствах. Существует три основных применения ТЭМ: 1. Конструирование термоэлектрических генераторов: преобразование тепловой энергии в электрическую. 2. Создание термоэлектрических холодильников: охлаждение объектов за счет поглощения тепла.

3. Разработка измерителей температур: измерение температуры в широком диапазоне, от абсолютного нуля до тысяч градусов по Кельвину.

Согласно опытам, в условиях незначительной температурной разницы между спаями термоэлектродвижущая сила в пропорциональном отношении сопоставима с разностью температур элементов, составляющих цепь.

Кроме того, любая диада с однородными проводниками, работающими в соответствии с законом Ома, обладает величиной термоэлектродвижущей силы, определяемой только качествами проводящих материалов и разностью температур, независимо от того, как эти температуры распределены между контактами.

Термопара

Если для формирования цепи использовались всего два различных проводника, то эта комбинация носит название термоэлемента или термопары. То, насколько высоким будет уровень термо-электродвижущей силы, определяется тем из каких материалов сделаны проводники и разница между температурами контактов.

Термопары применяются в основном для определения температур. Чтобы производить измерение температурных значений вплоть для 1400 градусов по Кельвину, будет вполне достаточно применить неблагородные материалы, для измерителей с диапазоном до 1900 градусов будут нужны металлы, относящиеся к платиновой группе, а специальные особо сильные измерители изготавливаются из специальных жаростойких сплавов.

Наиболее обширно распространились модули типа хромель-алюмень. Они оптимальны для работы в окислительных средах, потому как во время нагревания на их поверхности образуется защитное покрытие из оксилов, что не даёт кислороду проникать внутрь сплава. В восстановительной среде эффект становится строго противоположным.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы применяются для того, чтобы с их непосредственной помощью преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Их работа в большинстве своём также построена на эффекте Зеебека, который может обеспечить даже преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму энергии электрической, которую тут же можно направлять на подпитку разнообразных устройств.

• Гарантируют длительность срока службы без каких-либо проблемных моментов, а также отсутствие ограничений для хранения в неактивном состоянии;
• Характеризуются устойчивым режимом работы, ликвидирую риск возникновения короткого замыкания;
• Работают совершенно бесшумно, поскольку их конструкция не включает никаких подвижных элементов.

Благодаря своим свойствам эти генераторы активно используются в труднодоступных точках планеты, в местах с повышенными требованиями к устойчивости работы генератора и во многих отношениях являются просто незаменимыми.

Сферы применения эффекта Зеебека

Одно из значимых ограничений, возникающих при использовании термоэлектрического преобразователя, заключается в низком коэффициенте эффективности – 3-8%. Но если нет возможности для проведения стандартных линий электропередач, а нагрузки на сеть предполагаются небольшие, тогда применение термоэлектрических генераторов вполне оправдано. На самом деле, устройства, работающие на эффекте Зеебека, могут применяться в самых различных сферах:

• Энергообеспечение космической техники;
• Питание газо- и нефте- оборудования;
• Бытовые генераторы;
• Системы морской навигации;
• Отопительные системы;
• Эксплуатация отводимого автомобильного тепла;
• Преобразователи солнечной энергии;
• Преобразователи тепла, вырабатываемого природными источниками (например, геотермальными водами).

Исследования

Недавно стало известно, что ученые Австралийского национального университета и Университета Беркли, в Калифорнии, недавно разработали новый метаматериал, который мог бы революционизировать термофотоэлектрические элементы.

Ведущий исследователь Сергей Крук (Sergey Kruk) первый предположил, что этот конкретный метаматериал сможет предложить большие преимущества для термофотоэлектрических элементов, для дальнейшего изучения теории он объединился с учеными из Беркли, у которых богатый опыт в создании метаматериалов.

В результате получился метаматериал, который может быть использован в качестве эмиттера, чтобы значительно повысить эффективность работы термофотоэлектрических элементов.

Метаматериал специально создан с такими свойствами, которых нет в природе. Исследователи использовали золото, фторид магния и нитрид кремния для создания материала, который «светится необычным способом» при воздействии инфракрасного излучения.

«Термофотоэлектрические ячейки обладают потенциалом, чтобы быть гораздо более эффективными, чем солнечные панели», сказал Крук. «Наш Метаматериал преодолевает ряд препятствий и может помочь раскрыть потенциал термофотоэлектрических элементов».

Дополнительным преимуществом термофотоэлектрических элементов является то, что они не требуют прямого солнечного света, поэтому они могут вырабатывать энергию, независимо от времени суток. Плюс ко всему, метаматериал, используемый в этих элементах, очень мал, по словам Крука, более 12 тысяч «строительных блоков» вещества может поместиться на поперечном сечении человеческого волоса.

Эти термофотоэлектрические элементы могут применяться необычным образом и для электрических транспортных средств. При интеграции в двигатель, они могут преобразовывать тепло в энергию. «Для изготовления этого материала команда Беркли работала на пределе технологических возможностей», сказал Крук. Ученые предполагают, что эта новая технология может стимулировать развитие супер эффективных солнечных батарей, навсегда изменяя способ получения энергии.

Также стало известно, что исследователи из Центра трансляционных материалов (CTAM) в Технологическом университете Суинберна в Мельбурне, Австралия, разработали новую пленку на основе графена, которая может поглощать солнечный свет с эффективностью более 90 процентов, одновременно устраняя большинство потерь инфракрасного излучения – Впервые о таком подвиге было сообщено.

Результатом является эффективный метаматериал солнечного нагрева, который может быстро нагреваться до 83 градусов C (181 градус F) в открытой среде с минимальными потерями тепла. Предлагаемые применения для пленки включают сбор и хранение тепловой энергии, термоэлектричество и опреснение морской воды.

По словам Баохуа Цзя (Baohua Jia), директора-основателя CTAM, подавление потерь от теплового излучения, также известного как излучение черного тела, при одновременном поглощении солнечного света имеет решающее значение для эффективного солнечного теплового поглотителя, но его чрезвычайно сложно достичь. «Это потому, что в зависимости от поглощенного тепла и свойств поглотителя температура излучения различается, что приводит к значительным различиям в длине волны», – объясняет она. «Но мы разработали трехмерный структурированный графеновый метаматериал (SGM), который обладает высокой абсорбционной способностью и избирательно отфильтровывает излучение черного тела».

3D SGM состоит из 30-нанометровой пленки чередующихся графеновых и диэлектрических слоев, нанесенных на траншейную наноструктуру, которая выполняет двойную функцию в качестве медной подложки для усиления поглощения. Что еще более важно, подложка имеет матричную структуру, чтобы обеспечить гибкую настройку селективного поглощения по длине волны.

Графеновая пленка предназначена для поглощения света в диапазоне длин волн от 0,28 до 2,5 микрометров. А медная подложка структурирована таким образом, что она может действовать как селективный полосовой фильтр, который подавляет нормальное излучение энергии, генерируемой внутри черного тела. Это удерживаемое тепло затем служит для дальнейшего повышения температуры метаматериала. Следовательно, SGM может быстро нагреваться до 83 градусов C. Если для конкретного применения требуется другая температура, можно изготовить и настроить новую наноструктуру канавы, чтобы она соответствовала этой конкретной длине волны черного тела.

«В нашей предыдущей работе мы демонстрировали графеновый теплопоглощающий материал толщиной 90 нм», – говорит Баохуа. Хотя он мог нагреваться до 160 градусов C, «структура была более сложной, [включающей] четыре слоя: подложку, слой серебра, слой оксида кремния и слой графена. Наша новая двухслойная структура более проста и не требует вакуумного осаждения. А метод изготовления масштабируемый и недорогой ».

В новом материале также используется меньше графена за счет значительного уменьшения толщины пленки до одной трети, а его толщина способствует более эффективной передаче поглощенного тепла другим средам, таким как вода. Кроме того, пленка является гидрофобной, что способствует самоочищению, в то время как графеновый слой эффективно защищает медный слой от коррозии, помогая продлить срок службы метаматериала.

«Поскольку структурные параметры металлической подложки являются основными факторами, определяющими общую абсорбционную способность SGM, а не его внутренние характеристики, можно использовать разные металлы в соответствии с потребностями или стоимостью приложения», – говорит Кенг-Те Лин, ведущий автор статьи о метаматериал, недавно опубликованный в Nature Communications, а также научный сотрудник в университете Суинберн. Алюминиевая фольга также может быть использована для замены меди без ущерба для производительности, отмечает он.

Чтобы проверить конструкцию и стабильность метаматериала, исследователи изготовили прототип, используя стандартную лазерную нанотехнологию, самоорганизующееся покрытие из оксида графена и фотоиндуцированное восстановление.

«Мы использовали прототип пленки для производства чистой воды и достигли впечатляющего КПД солнечного излучения в 96,2%», – говорит Кенг-Тэ. «Это очень выгодно для производства чистой воды с использованием возобновляемых источников энергии».

Он добавляет, что метаматериал также может быть использован для сбора и преобразования энергии, выработки пара, очистки сточных вод, опреснения морской воды и термоэлектричества.Остается еще одна проблема – найти способ изготовления подложки с возможностью масштабирования.«Мы работаем с частной компанией Innofocus Photonics Technology, которая выпустила на рынок машину для нанесения покрытий для нанесения слоев графена и диэлектрика», – говорит Баохуа. «И мы удовлетворены этим. То, что мы сейчас ищем, – это подходящий метод для крупномасштабного производства медной подложки». Одна из возможностей, добавляет она, заключается в использовании процесса переката в рулон.

Между тем, исследователи продолжают оттачивать дизайн наноструктуры и повышать стабильность и эффективность поглощения SGM. «Что касается коммерциализации, – говорит Баохуа, – мы думаем, что это станет возможным через один-два года».