Элемент пельтье как генератор электроэнергии: Генератор на элементе Пельтье. — Генераторы и преобразователи — Электроника — Каталог статей

Содержание

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Для понимания законов электродинамики, электрики и физики, нужно знать, что такое элемент, модуль Пельтье как генератор электрической энергии. О понятии, технических характеристиках, принципе работы и правильном применении модуля для генератора рассказано далее.

Что такое элемент и термогенератор Пельтье

Элементом Пельтье называется термоэлектрический тип преобразователя, который базируется на температурной разности при протекании электричества. Суть открытого в 1834 г. эффекта в том, что тепло выделяется или поглощается в участке контактирования разнородных проводников, подключенных к электричеству.

Что собой представляет элемент Пельтье

К сведению! По этой теории электрический ток осуществляет перенос электронов между металлами. Если увеличить кинетическую энергию, то она превратится в тепловую.

Устройство, преобразующее кинетическую энергию в тепловую

Элемент Пельтье в качестве генератора энергии

Термоэлектрический модуль Pelty может выступать как электрогенератор Пельтье при принудительном нагревании одной из его частей.

Чем больше показатель температурной разности, тем выше показатель тока источника.

Предельный температурный показатель ограничен, но может быть выше, чем точка припойного плавления, используемая в конструкции модуля. Несоблюдение данного требования приводит к тому, что элемент Пельтье ломается.

Для термогенераторного производства применяют специальный тип модулей, где есть тугоплавкий припой. Их можно подогревать до температурного показателя 300 °С. По сравнению с обычным генератором эта температура в два раза больше. Потому коэффициент полезного действия в подобных устройствах невысок, их используют лишь тогда, когда невозможно применить результативный электроисточник.

Генератор электроэнергии популярен среди путешественников

Обратите внимание! Генераторы с мощностью 10 В популярны у туристов, путешествующих на дальние расстояния. Крупные, мощные постоянные устройства, которые работают от высокого температурного топлива, применяют, чтобы питать газораспределительные узлы, метеорологическую аппаратуру.

Технические характеристики элемента Пельтье

Термические электрические модули обладают следующими характеристиками:

  • производительность холода;
  • максимальный температурный перепад;
  • допустимая сила тока, которая нужна, чтобы обеспечить максимальный температурный перепад;
  • предельное напряжение в киловаттах, которое необходимо току для достижения пиковой разницы;
  • внутренний показатель сопротивления модуля resestance, указываемый в Омах;
  • коэффициент эффективности или КПД устройства, которое показывает отношения охлаждения к мощности.
Усредненные технические характеристики

Обратите внимание! Подобные характеристики распространяются и на миниатюрные установки, малые электрогенераторы, холодильные системы охлаждения персональных компьютеров, охлаждающие/нагревающие водные кулеры и осушители воздуха.

Принцип работы элемента Пельтье

Любой термоэлектрический модуль работает на разности электронной энергии, то есть один проводник — область, где есть высокая проводимость, а второй — место, где низкая проводимость. Если соединить такие источники вместе и пропустить через них заряд, то электрону для прохождения низкоэнергетической области в высокую, нужно подкопить электроэнергии. Та область, где осуществляется энергопоглощение электроном, охлаждается.

Принцип работы

Важно! При изменении полярности подключения элемента вместо охлаждения будет происходить нагревание. Данный эффект наблюдается у любого элемента, но конкретные следы элемента Пельтье будут видны на полупроводниках.

Как правильно применять модуль Пельтье для генератора

Применять модуль Пельтье можно, как термоэлектрогенератор Teksan Colorful, для охлаждения процессора, комнаты, воды. Используется он нередко как кислородный осушитель. Подключить модуль несложно. На провода нужно осуществить подачу постоянного напряжения, значение которого есть на элементе. Красный проводник следует подключить к полюсу, а черный — к нулевому проводнику. Таким образом прибор начнет работу на охлаждение. Если поменять полярность оборудования, то поменяется местами охлаждаемая и нагреваемая поверхности.

Правильное применение модуля для генератора

Обратите внимание! Проверить, функционирует элемент или нет, несложно. До него нужно прикоснуться к нему с разных сторон. Работающий аппарат будет иметь одну горячую, а вторую — холодную область.

Таким образом, элементом Пельтье называется термоэлектрический преобразователь, который работает на температурной разности при протекании электрической энергии. Термогенератор, построенный на технических характеристиках и принципе его функционирования, имеет широкое применение на производстве и в жизни. Использовать его можно по приведенной выше инструкции.

Несколько идей из «элемента Пельтье». Получение электричества из огня, а также «холода» из электричества. | Будни Технаря

Всем привет! Многие знакомы с так называемым «элементом Пельтье», а для тех кто незнаком, в двух словах расскажу.

Данный элемент представляет собой небольшую пластину, при подачи на неё электрического тока одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается .

Модуль рассчитан на напряжение 12 В, максимально потребляемый ток 6.5 А

Что-бы получить температуру около 0 градусов на «холодной стороне» необходимо хорошо охладить «горячую сторону» на которой выделяется тепло. Мощность элемента в районе 60 ватт по этому нужен достаточно массивный радиатор с кулер.

Что же можно из него сделать?

Ну во-первых, «дорожный холодильник»

Достаточно собрать коробку из теплоизоляционного материала, к примеру экструзированного пенопласта и обклеить внутри фольгой. В монтировать в крышку «элемент Пельтье» с прикреплёнными к нему радиаторами. С горячей стороны нужен радиатор больше чем с холодной и с принудительным охлаждением в виде кулера. Радиаторы можно закрепить стяжками чтобы получился «бутерброд». Холодный воздух будет опускаться вниз и охлаждать продукты. Вот и все, можно подключатся к бортовой сети автомобиля и ехать в путешествие.

Холодильник пользователя с drive2 https://www.drive2.ru/l/3847014/

Холодильник пользователя с drive2 https://www.drive2.ru/l/3847014/

Помимо холодильника можно сделать экстремальное охлаждение для любителей разгона процессоров ПК.

Тут также нужен хороший радиатор с принудительным охлаждением, но главная проблема это возможный образующийся конденсат который может загубить электронику.

Вот пример заводского исполнения…

Элемент Пельтье умеет не только охлаждать под действием электричества, но выступать в роли генератора электрического тока.

Достаточно охлаждать одну из сторон, а противоположную нагревать. Элемент способен отдать до 600 мА.

Исходя из этого можно попытаться сделать походную печку с возможностью зарядки так как тока в 600мА достаточно для зарядки гаджетов.

Устанавливаем элемент к стенке печки с другой стороны вешаем радиатор. Самое главное это не перегреть устройство так как внутри находится полупроводники спаянные между собой.

Фото с сайта https://cxem.net/greentech/greentech37.php

Фото с сайта https://cxem.net/greentech/greentech37.php

А вот заводской вариант за 150$

Вот ссылка на простой элемент Пельтье с алиэкспресс.

Подписывайтесь на канал, ставьте лайки и пишите комментарии!

Экономичный, высокопроизводительный элемента пельтье генератор Free Sample Now

О продукте и поставщиках:

Исследуйте массив. элемента пельтье генератор каталог на Alibaba.com и покупайте продукты, которые стоят каждой копейки. элемента пельтье генератор на Alibaba.com доступны в различных размерах, температурах и выходном токе .. элемента пельтье генератор полезны для обеспечения однонаправленного потока тока, достижения переменного сопротивления в данной цепи, а также для специализированных приложений, таких как светочувствительность.

элемента пельтье генератор доступны в виде термисторов, резисторов, термоэлектрических охладителей и т. д. на Alibaba.com. У них есть несколько значений удельного сопротивления и проводимости в соответствии с вашими потребностями. элемента пельтье генератор легированы как n-тип или p-тип. Производство товаров осуществляется из кремния, германия или стекла. элемента пельтье генератор легкие, а их электрические свойства можно легко изменить. Они также уменьшают потери мощности, в отличие от традиционных проводников. Эти изделия обеспечивают умеренный контролируемый поток тока, что делает их идеальным выбором для компактных цепей, требующих незначительного тока.

элемента пельтье генератор в наличии интегральные схемы, пружинные зонды, сверхтонкие и толстые пластины. Они используются в качестве тестовых пластин или виртуальных пластин, чтобы минимизировать время и расходы на тестирование электрических характеристик. элемента пельтье генератор являются центральным элементом быстро развивающейся индустрии электроники и потребительских товаров. Они применимы в автомобилях, медицинских инструментах, бытовой технике, исследованиях и разработках, обороне и т. Д. элемента пельтье генератор обеспечивают надежную работу и быстрые операции во множестве отраслей. Продукты прошли строгие испытания, такие как электрическое сопротивление, электронная микроскопия, рентгеновская рентгеноскопия и т. Д., Что подтвердило высочайшее качество.

С помощью этих данных можно получить данные о прибыли. элемента пельтье генератор диапазон на Alibaba.com. Авторитетный. Поставщики элемента пельтье генератор по всему миру покупают на этом сайте благодаря своему превосходному качеству и выгодным предложениям. Купите сейчас и не упустите эксклюзивные продукты и услуги премиум-класса, которые выделят вас среди конкурентов.

Модуль Пельтье. Генератор термоэлектрический

Автор Alexey На чтение 5 мин. Просмотров 428 Опубликовано

12.2016 Обновлено

Современный мир предлагает устройства, с помощью которых можно зарядить фонарик, мобильный телефон или другие гаджеты если поблизости нет розетки. Но внешние аккумуляторы тоже имеют лимит энергии. И тут на выручку придет термоэлектрический генератор, который в любой нестандартной ситуации поможет и согреться, и приготовить пищу, и зарядить телефон, и сможет стать источником света.

Такой прибор можно, как и приобрести, так и сделать своими руками. Промышленные генераторы значительно больших размеров и соответственно могут дать больше энергии. Приборы, сделанные самостоятельно, не отличаются большой силой, но будут спасителями вдали от цивилизации.

Самодельный генератор в действии

Как работает?

Генератор работает на основе модуля Пельтье. Одна часть этого модуля постоянно нагревается, а другая — охлаждается. Если нагретую часть охлаждать, а охлажденную нагревать, то за счет перепадов температур можно генерировать электрический ток, которого будет достаточно для работы небольшого прибора.

Почему же у сторон модуля разная температура? Этот прибор сделан из пластин двух разных металлов. Один из них имеет много электронов на своей поверхности, а другой — очень мало. С первой пластины негативно заряженный частицы пытаются перейти на другую. Но поскольку два элемента соединены проводником, электроны не могут преодолеть этот барьер и скапливаются на поверхности первой пластины нагревая ее.

Если эту часть охладить, то частицы смогу перейти на другую пластину, занимая на ней пустые места. При значительном скоплении электронов на этой стороне, они постепенно начинают перебираться на первую и так далее. Таким образом, получится поток электронов. А как известно, электрический ток — это и есть движение электронов в определенном направлении.

Как же сделать термоэлектрический генератор самостоятельно?

Конечно же, дома данное устройство использовать никто не будет. Поэтому если вы идете в длительный поход, то стоит запастись всем необходимым для того чтобы сделать генератор. А понадобятся:

  • элемент Пельтье;
  • преобразователь;
  • нагреватель;
  • холодильник;
  • провода.

Элемент Пельтье покупаем или делаем своими руками. Желательно выбирать тот, который выдерживает высокие температуры приблизительно до 3500С. Поскольку даже небольшое превышение температурного режима может привести к непригодности прибора.

Модуль Пельтье

Наличие преобразователя необходимо для получения постоянного тока, поскольку генератор может продуцировать ток со скачками напряжения. Если планируете заряжать гаджеты, выбирайте с USB-входом.

Нагреватель и холодильник необходимы для получения большего количества энергии. Это могут быть обычные консервные банки, но нужно учитывать их размеры и размеры элемента Пельтье. А без наличия проводов конструкция просто не будет работать.

Итак начинаем собирать генератор термоэлектрический. Берем две консервные банки или кастрюли разной величины. Если это кастрюли, то стоит отпилить заранее ручки. Донышки емкостей нужно хорошо отполировать. Вставляем меньшую в большую, между ними помещаем термоэлектрический генераторный модуль. Его можно приклеить термопастой для надежности.

Термоэлектрический генератор из жестяных банок

К модулю обязательно присоединить провода и преобразователь. Не нужно забывать об изоляции. В меньшую емкость наливаем холодную воду (зимой можно использовать снег или лед) и всю конструкцию помещаем на огонь. И все. Через некоторое время получаем такую необходимую электрическую энергию. Не забываем добавлять холодную воду, чтобы разница температур была больше. При этом и энергии будет больше.

Термоэлектрический генератор своими руками сделать несложно, но использовать такое устройство нужно с осторожность и придерживаясь правилам безопасности. Если купить готовый прибор, то он будет намного надежнее, им легче пользоваться. Пригодность генератора, как и срок хранения неограничен.

Модуль Пельтье своими руками.

Как уже упоминалось выше главный элемент можно сделать самостоятельно. Для этого будут необходимы:

Проводники соединяются между собой с помощью паяльника и припоя. Далее, конструкция размещается между двумя керамическими пластинами и прочно фиксируется. Обязательно нужно помнить о двух проводах, которые будут в дальнейшем крепиться к преобразователю электрического тока.

Поскольку данный модуль имеет еще и сторону, которая охлаждается, то его можно применять и для холодильных установок. Используя этот элемент, изготавливают небольшие автомобильные холодильники для путешествий, автомобильные охладители, кондиционеры.

Данный принцип применяется и в охладительных системах компьютерной техники (охлаждение чипов видеокарт и микропроцессоров).В некоторых кулерах питьевой воды обе стороны модуля задействованы, поскольку можно получить на выходе как охлажденную, так и хорошо нагретую жидкость.

Принципы данного модуля используются в приборах ночного виденья, в новейших цифровых фотоаппаратах, для стабилизации частоты излучения в лазерах, в телескопах с инфракрасными детекторами, которые нужно быстро и эффективно охлаждать. То есть этот элемент нашел свое применение не только в так называемых бытовых условиях, но и для военных и научных приспособлений и установок.

Плюсы и минусы термоэлектрического модуля.

Казалось бы, это незаменимый элемент, но и здесь есть свои нюансы. Прибор имеет достоинства и недостатки.
К плюсам можно отнести:

  • небольшие размеры;
  • возможность работы как нагревательным, так и охлаждающим элементом;
  • отсутствие частей, которые постепенно изнашиваются и требуют замены;
  • бесшумность работы.

Из минусов можно отметить:

  • высокую себестоимость;
  • необходимость поддерживать перепад температуры;
  • большое потребление энергии;
  • низкий уровень КПД.

Но несмотря на все недостатки модуль целесообразно использовать в тех случаях, когда большая энергоемкость не имеет особого значения.
Сомнений не остается если правильно выполнить сборку термоэлектрического генератора, то можно пережить любые катаклизмы в результате которых будет отключена электроэнергия.

Присоединив небольшой вентилятор, можно немного охладиться в жаркое время года. Горячая сторона поможет нагреться, приготовить пищу, вскипятить воду. А вырабатываемое электричество подзарядит средства связи (мобильные телефоны, радиоприемники или рации).

Термоэлектрический генератор: принцип работы

Термоэлектрический генератор (термогенератор ТЭГ) — это электрическое устройство, использующее эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье для выработки электроэнергии за счет термо-ЭДС. Эффект термо-ЭДС был открыт немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком (эффект Зеебека) в 1821 г. В 1851 году Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) продолжил термодинамические исследования и доказал, что источником электродвижущей силы (ЭДС) является температурный перепад.

В 1834 году французский изобретатель и часовщик Жан Чарльз Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, установил, что разность температур происходит на стыке двух различных типов материалов под воздействием электрического тока (эффект Пельтье). В частности, он предсказал, что ЭДС возникает внутри одного проводника, когда присутствует температурный перепад.

В 1950 году русский академик и исследователь Абрам Иоффе открыл термоэлектрические свойства полупроводников. Термоэлектрический генератор энергии стали использовать в системах автономного электроснабжения в недоступных районах. Изучение космического пространства, выход человека в космос дали мощный толчок для бурного развития термоэлектрических преобразователей.

Радиоизотопный источник энергии был впервые установлен на космических кораблях и орбитальных станциях. Их начинают использовать в крупной нефтегазовой отрасли для антикоррозионной защиты газопроводов, в исследовательских работах на Дальнем Севере, в сфере медицины в качестве электрокардиостимуляторов, в жилищном хозяйстве как автономные источники электроснабжения.

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

  1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
  2. Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрики состоят из специальных сплавов или полупроводниковых соединений. В последнее время для термоэлектрических свойств применяются электропроводящие полимеры.

Требования к термоэлектрикам:

  • высокая эффективность, которая обусловлена низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, высоким коэффициентом Зеебека;
  • устойчивость к высоким температурам и термомеханическим воздействиям;
  • доступность и безопасность окружающей среды;
  • устойчивость к вибрациям и резким перепадам температур;
  • долгосрочная стабильность и дешевизна;
  • автоматизация процесса изготовления.

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД ТЭГ. Термоэлектрический полупроводниковый материал представляет собой сплав теллурида и висмута. Он был специальным образом изготовлен, чтобы обеспечить отдельные блоки или элементы с различными характеристиками «N» и «P».

Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливаются путем направленной кристаллизации из расплавленной или прессованной порошковой металлургии. Каждый способ изготовления имеет свое особое преимущество, но наиболее распространены материалы с направленным ростом. В дополнение к теллуриту висмута (Bi 2 Te 3) существуют другие термоэлектрические материалы, в том числе сплавы свинца и теллурита (PbTe), кремния и германия (SiGe), висмута и сурьмы (Bi-Sb), которые могут использоваться в конкретных случаях. Пока термопары висмута и теллурида лучше всего подходят для большинства ТЭГ.

Достоинства ТЭГ

Достоинства термоэлектрогенераторов:

  • выработка электричества происходит по замкнутой одноступенчатой схеме без использования сложных передающих систем и применения движущих частей;
  • отсутствие рабочих жидкостей и газов;
  • отсутствие выбросов вредных веществ, бросового тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
  • устройство длительного автономного функционирования;
  • использование отработанного тепла (вторичные источники теплоты) с целью экономии энергоресурсов
  • работа в любом положении объекта независимо от среды эксплуатации: космос, вода, земля;
  • выработка постоянного тока при малом напряжении;
  • невосприимчивость к короткому замыканию;
  • неограниченный срок хранения, 100 % готовность к работе.

Сферы применения термоэлектрического генератора

Преимущества ТЭГ определили перспективы развития и его ближайшее будущее:

  • изучение океана и космоса;
  • применение в малой (бытовой) альтернативной энергетике;
  • использование тепла от выхлопных труб автомобилей;
  • в системах переработки мусора;
  • в системах охлаждения и кондиционирования;
  • в системах тепловых насосов, для мгновенного разогрева дизельных двигателей тепловозов и автомобилей;
  • нагрев и приготовление пищи в походных условиях;
  • зарядка электронных устройств и часов;
  • питание сенсорных браслетов для спортсменов.

Термоэлектрический преобразователь Пельтье

Элемент Пельтье (ЭП) — это термоэлектрический преобразователь, работающий с использованием одноименного эффекта Пельтье, одного из трех термоэлектрических эффектов (Зеебека и Томсона).

Француз Жан-Шарль Пельтье соединил провода меди и висмута друг с другом и подключил их к батарее, создав таким образом пару соединений двух разнородных металлов. Когда батарея включалась, один из переходов нагревался, а другой охлаждался.

Устройства, основанные на эффекте Пельтье, чрезвычайно надежны, поскольку они не имеют движущихся частей, не нуждаются в техническом обслуживании, не имеют выбросов вредных газов, компактны и имеют возможность двунаправленной работы (нагрев и охлаждение) в зависимости от направления тока.

К сожалению, они малоэффективны, имеют низкий КПД, выделяют довольно много тепла, что требует дополнительной вентиляции и увеличивает стоимость устройства. Такие устройства потребляют довольно много электроэнергии и могут вызвать перегрев или конденсацию. Элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.

Область применения ЭП

Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.

Сегодня ЭП широко применяется:

  • в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
  • в осушителях для извлечения воды из воздуха;
  • в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
  • для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
  • для охлаждения компьютерных компонентов.

В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:

  • в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
  • в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
  • в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.

Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.

Ядерные батарейки РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство использующее термопары для преобразования тепла, выделяемое при распаде радиоактивного материала, в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических аппаратах, удаленных объектах маяков, построенных СССР для Полярного круга.

РИТЭГы, как правило, являются наиболее предпочтительным источником энергии для устройств, которым требуется несколько сотен Ватт мощности. В топливных элементах, батареях или генераторах установленных в местах, где солнечные элементы являются неэффективными. Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует соблюдения строгих мер осторожного обращения с радиоизотопами в течение долгого времени после окончания его срока службы.

В России насчитывается порядка 1 000 РИТЭГов, которые использовались в основном для источников питания на средствах дальнего действия: маяках, радиомаяках и других специальных радиотехнических средствах. Первым космическим РИТЭГом на полонии-210 стал «Лимон-1» в 1962 году, затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена на спутниках «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах обогрева.

Устройство термоэлектрогенератора своими руками

Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.

С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.

  1. Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
  2. Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
  3. Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
  4. Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.

Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.

В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.

Перспективы развития термоэлектрической генерации

Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов — прогноз до 2022 года» — анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.

Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.

Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.

Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.

Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.

Научно-исследовательская работа Термоэлектрический источник энергии в походных условиях.

Управление образования администрации Находкинского городского округа

МБУ «Информационно-методический центр «Развитие» г. Находка

Конкурс учебно-исследовательских работ

и учебных проектов школьников и дошкольников

«Шаги в науку»

Учебно-исследовательская работа (учебный проект)

Тема: «Термоэлектрический источник энергии в походных условиях»

Направление: научно-техническое

выполнила:

Димова Дарья

ученица 9 класса

МБОУ «СОШ № 26»

Руководитель научно-исследовательской работы:

Чернова Любовь Степановна

учитель физики

Находка

2020 г

Оглавление

Введение …………………………………………………………….……… 3

  1. Создание партизанского котелка …………………………………3 — 4

  2. Что такое термоэлектричество ………………………………………. 5

  3. Использование ТЭГ в походных условиях ……………………….5 -6

  4. Схема принципа работы модуля………………………………………6

  5. Генераторы промышленного изготовления ………………………….6

Заключение ……………………………………………………………………7

  1. Литература ………………………………………………………………7

Введение

Прочитав в газете «Аргументы и факты» статью о партизанском котелке. Я задумалась, возможно ли в наши дни применить эти знания в походах, где нет источников питания. В последнее время с развитием мобильных устройств, возросла наша зависимость от них, и мы уже не можем обойтись без них даже на природе. Тут возникает вопрос: что делать, если села батарейка? В лесу не найти какой-либо источник питания, хотя у многих сейчас есть в автомобиле возможность зарядить, что угодно, но он не всегда может быть рядом. Может помочь электрогенератор. Портативных электрогенераторов много, но они слишком громоздкие и зависят от какого-либо вида топлива. На рынке есть похожие устройства на солнечных батареях, основным недостатком которых является потребность хорошего освещения.

Возникает вопрос: что делать при отсутствии вышеперечисленных источников питания? Здесь на помощь может прийти партизанский котелок (портативный электрогенератор). Суть портативного электрогенератора заключается в преобразовании тепловой энергии в электрическую (эффект Зеебека). В результате нагревания и охлаждения воды в котелке мы получаем напряжение порядка 12В. Это напряжение можно использовать для подзарядки мобильных устройств.

Актуальность: в последнее время с развитием мобильных устройств, возросла наша зависимость от них, и мы уже не можем обойтись без них даже на природе. Тут возникает вопрос: что делать, если села батарейка? Как зарядить ее в походных условиях?

Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление.  

Предмет исследования: термоэлектрический генератор.

Цель: изучить устройство и практическое применение термоэлектрического генератора.

Задачи:

  1. Найти информацию о партизанском котелке.

  2. Теоретически изучить термоэлектрические процессы

  3. Изучить работу и использование термогенератора в бытовых целях.

Гипотеза: возможно ли использовать термоэлектрический генератор для подзарядки сотового телефона в походных условиях.

  1. Создание партизанского котелка.

Сделано это было во время войны ученными Физико – технического института под руководством А. Ф. Иоффе. Необходим был способ, позволяющий партизанам заряжать аккумуляторы радиопередатчиков. Конечно, в партизанских отрядах были новые батареи, динамо-машины, которыми не всегда удавалось воспользоваться.

Рис. 1. Термоэлектрогенератор ТГ-1

В начале войны физики Ленинградского физико-технического института разработали для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, Термоэлектрогенератор ТГ – 1, известный под названием «партизанский котелок» (рис.2.) ТГ – 1 действительно был похож на котелок, который наполнялся водой и ставился на костер. В качестве полупроводников использовались соединения сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 3000 С и оказалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность этого устройства достигала 10 Ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943.

После войны промышленность СССР выпускала различные типы генераторов, предназначенных для удаленных местностей, где нет доступа к электрической цепи. Был, например, создан термогенератор, закреплявшийся на стекле керосиновой лампы (рис.1.), его мощности хватало питать радиоприемник. Горячие спаи термобатареи нагревались обычной керосиновой лампой, применявшейся для освещения.

Рис. 2. Термоэлектрогенератор на керосиновой лампе.

  1. Что такое термоэлектричество?

Термоэлектричество – преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора.

Объясняется это явление тем, что в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие переходят в холодный конец – туда, где свободных электронов, меньше. Но электроны – отрицательно заряженные частицы. Как только в холодном конце появится их избыток электронов, там возникает отрицательный электрический заряд.

В горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд (рис.3).

Рис.3. Преобразование тепла в электрическую энергию.

Итак, на холодных концах термопары появились разноимённые электрические заряды. Стоит замкнуть термопару, и по ней потечёт электрический ток. Тепло превращено в электроэнергию. Но для получения тока необходимо не только создать и поддерживать напряжение между двумя какими-либо точками, но и создать проводящую цепь, по которой происходит перенос зарядов между этими точками. Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором, электрического тока. В цепи, составленной из различных металлов, места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.).

Изготавливая термоэлемент из полупроводников, можно в десятки раз увеличить э.д.с. и увеличить коэффициент полезного действия, а значит, и создать достаточно экономичные технические тепловые генераторы тока. Соединяя последовательно нужное количество таких термоэлементов, можно получить батарею с достаточно высокой э.д.с.

  1. Термоэлектрический генератор и его использование в походных условиях.

Огромное количество электронных устройств, в современном мире, поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой сложные и громоздкие приспособления. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается. Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.

  1. Термогенераторы промышленного изготовления.

На основе модуля Пельтье компания «BioLite» разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного термоэлектрогенератора (ТЭГ).

Рис.4. Компактная переносная печка на дровах.

Устройство пригодится везде: на рыбалке, в походе, на даче. В качестве топлива можно применять всё, что горит. При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. На рисунке 5 красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.

Рис.5. Схема ТЭГ.

Заключение.

Изучив необходимую литературу, моя гипотеза полностью подтвердилась:

Термоэлектрогенератор, партизанский котелок, в настоящее время позволяет получить электричество из любого источника тепла. А какой поход обходится без костра? В настоящее время для дачников, рыбаков, охотников, геологов, туристов, альпинистов, предлагаются ТЭГ мощностью от 4,5 до 12 Вт. Их можно использовать для освещения, подзарядки и питания радиоприемников, телевизоров, радиостанций, магнитофонов, компьютеров. Источниками тепла для них м. б. газовая горелка или плита, примус, печка, костер и т.д.

Я считаю, что любой человек, отправляясь в дорогу, должен иметь в своём арсенале такой генератор.

 Литература:

Источник: https://jelectro.ru/generatory/termoehlektricheskijj-generator

Элемент Пельтье он же термоэлектрический модуль

Чуть чуть теории.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ)  является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах — от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности — от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Практика.

Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа. 

50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось:

   Подключаем воду к охладителю  к одной стороне элемента Пельтье, а другую ставим на конфорку.  К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат — наш генератор работает !

  Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта. 

Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%. 

   Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

Использование термоэлектрического модуля.

Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.

Да, как говорится — если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone  ещё в `85 изобрели бы ! 🙂

Термоэлектрический холодильник

Термоэлектрический холодильник (вариант 2)

Термоэлектрический холодильник (вариант 3)

Автомобильный охладитель для баночных напитков

Кулер для питьевой воды

Термоэлектрический кондиционер для кабины КАМАЗа

В такой «ковшик» наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там «зарыт» Пельтье

Давайте поподробней об этой конструкции.

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии — радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т. п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, «бросового» тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности — от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

 

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т. п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В — 6 В — 9В -12В и переходники для зарядных устройств.

БЫТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1TG-8

Техническая спецификация

Масса без жидкости , кг, не более0,55

Габаритные размеры, мм

с ручкой

без ручки250х130х110 ? 123, h=100

Внутренний объем, дм31,0

Номинальная генерируемая мощность, Вт, не менее8,0

Выходное напряжение, В3,0 ? 12,0

Ток, мА660 ? 2660

А вот ещё один пример использования .

Из таких небольших термоэлектрических конденсаторов и состоит генератор.

Уже сейчас термоэлектрические генераторы (TEG) благодаря применению новейших материалов способны вырабатывать электроэнергию мощностью до 1000 Вт.

Термогенератор особенно порадует любителей динамичной езды: ведь чем выше обороты мотора, тем больше вырабатывается электроэнергии, которая в будущем может использоваться в гибридных силовых установках, например, для еще лучшей разгонной динамики.

Почти две трети энергии топлива в современных ДВС «улетает» в атмосферу вместе с теплом. Поэтому инженеры BMW вместе со специалистами американского аэрокосмического агентства NASA активно работают над технологиями превращения тепловой энергии выхлопных газов в электрическую. Такие установки имеют еще один позитивный эффект: дополнительное нагревание непрогретого мотора. Пока TEG «окутывает» отрезок выхлопной трубы, но в будущем планируется интегрировать эту систему в катализатор, используя тем самым его тепловой режим. Для более масштабного внедрения данной технологии в автомобиле придется модернизировать днище, расширив в некоторых местах центральный тоннель. Ожидается, что подобная система уже совсем скоро сможет давать 5-процентную экономию топлива, повышая КПД двигателя внутреннего сгорания.

Вот такой он Элемент Пельтье или термоэлектрический модуль!

Как вырабатывать электричество с помощью термоэлектрического генератора Пельтье

Термоэлектрический модуль Пельтье вырабатывает электричество, когда обе стороны имеют разную температуру. Например, вы можете использовать огонь, чтобы нагреть термоэлектрический генератор, охлаждая другую сторону водой. Эти модули дешевы, и это простой способ вырабатывать электроэнергию!

Что такое эффект Зеебека и как генерировать электричество?

Эффект Зеебека — это явление, при котором тепло рассеивается через полупроводник для выработки электричества.Эти термоэлектрические генераторы содержат провода, сделанные из двух разных материалов, таких как медь и железо. Эти два типа провода лежат с обеих сторон и соединены между собой. Следовательно, это приведет к возникновению разности потенциалов, если температура не одинакова с обеих сторон. Другими словами, термоэлектрический модуль Пельтье будет вырабатывать электричество.

Как пользоваться термоэлектрическим генератором?

Выработать электричество с помощью модуля Пельтье легко, потому что все, что вам нужно, — это найти лучший способ добиться большей разницы температур.Например, вы можете использовать свечу или небольшой огонь, чтобы нагреть одну сторону термоэлектрического генератора. Действительно, термоэлектрические генераторы Пельтье используются в коммерческих целях для создания тепловентиляторов для дровяных печей. Чтобы охладить другую сторону Пельтье, вы также можете использовать воду, содержащую кубики льда. Простая установка — использовать тонкую банку со свечой под ней и поставить сверху металлическую запеканку с холодной водой.

Проверьте термоэлектрический генератор Пельтье SP1848-27145 на Amazon (филиал)

Каков КПД термоэлектрического генератора?

Эффективность термоэлектрического модуля Пельтье будет сильно варьироваться в зависимости от достигнутой разницы температур.Кроме того, важным фактором, который следует учитывать, является контакт между Пельтье и другими поверхностями. Следовательно, неадекватная или неровная поверхность снизит эффективность. Хороший способ генерировать больше электричества — также использовать термопасту. Это обеспечит максимальное рассеивание энергии между поверхностями.

Для справки, некоторые термоэлектрические модули SP1848-27145 также имеют спецификации, в которых указано, что они могут генерировать приблизительно:

Разница температур 20 градусов: 0,97 В и 225 мА

Разница температур 40 градусов: 1.8 В и 368 мА

Разница температур 60 градусов: 2,4 В и 469 мА

Разница температур 80 градусов: 3,6 В и 558 мА

Разница температур 100 градусов: 4,8 В и 669 мА

Эти значения могут варьироваться в зависимости от вашей настройки , электропроводка и нагрузка. Ознакомьтесь с моим руководством по цифровому мультиметру, чтобы узнать, как измерить напряжение и силу тока, создаваемые термоэлектрическим генератором.

Использование его с повышающим преобразователем для генерации определенного напряжения

Если ваша цель — достичь и поддерживать определенное напряжение, вы также можете использовать повышающий преобразователь.Эти модули увеличивают фактическое напряжение термоэлектрического генератора до фиксированного значения напряжения. Например, повышающий преобразователь с уменьшением силы тока для увеличения напряжения до желаемого значения, такого как 3,3 В или 5 В. Недостатком этого является то, что вы дополнительно ограничиваете силу тока в амперах. Вы все еще можете использовать повышающий преобразователь для питания небольших электронных устройств. Некоторые люди используют термоэлектрический генератор, чтобы сделать вентилятор для дровяной печи. Другой альтернативой было бы использование этого в сочетании с блоком питания для хранения произведенной энергии.

Какой термоэлектрический модуль Пельтье выбрать?

Существует два основных типа термоэлектрических модулей Пельтье: термоэлектрические охладители (ТЕС) и термоэлектрические генераторы (ТЭГ). Эти модули Пельтье используют ту же технологию, но предназначены для определенной цели. Вы можете использовать TEC для охлаждающих устройств. В результате ток, подаваемый на ТЭО, можно использовать для охлаждения одной из его сторон. Такие модули Пельтье не являются термостойкими и также широко используются в термоэлектрических холодильниках или системах кондиционирования воздуха.Прочтите мой предыдущий пост, если хотите узнать больше о термоэлектрических охладителях Пельтье.

С другой стороны, термоэлектрические генераторы устойчивы к нагреванию и оптимальны для производства электроэнергии. Эти модули могут выдерживать температуру до 150 градусов по Цельсию. Следовательно, термоэлектрические генераторы можно использовать с пламенем в качестве источника нагрева, и они будут более эффективны для выработки электроэнергии.

AliExpress.com Продукт — SP1848-27145 TEC 40×40 мм Полупроводниковый термоэлектрический радиатор, модуль пластины Пельтье для выработки электроэнергии

Заключение

Термоэлектрические генераторы Пельтье дешевы и просты в использовании.Несмотря на то, что они не вырабатывают большой ток, их главное преимущество — простота конструкции и использования. Поэтому термоэлектрические генераторы — хороший способ преобразовать тепло в электричество. Их даже можно использовать на открытом воздухе для выработки электроэнергии на костре!

См. Также мой предыдущий пост об ультразвуковой диффузии эфирных масел и его использовании в ароматерапии или о том, как сделать простое преобразование Цельсия в Фаренгейта.

(PDF) Обзор производства электроэнергии с использованием модуля Пельтье

Аналогичным образом, их приложения также различаются по принципу работы

.ТЭГ в основном состоят из теллурида висмута

или теллурида свинца. Но оба отличаются по свойствам

вроде теплостойкости и эффективности. Bi2Te3 TEG

является высокоэффективным, но не выдерживает таких высоких температур, как

PbTe. Итак, изменение стоимости происходит из-за этих свойств

[21]. Gou X, Xiao H сосредоточился на моделировании

TEG. Интегрированные в большом количестве ТЭГ обеспечивают максимальную выходную мощность и напряжение

.Он легко вырабатывает достаточную мощность при достаточно высоком напряжении

для питания различных маломощных датчиков

даже при накоплении энергии из разницы температур

до 5 ° C. Итак, с увеличением количества модулей

увеличивается и стоимость системы. Кроме того,

μTEG более эффективны для приложений, использующих для сбора

электрической энергии при высокой разнице температур из-за

из-за соображений их размера и материала композиции.

Различные комбинации последовательного и параллельного подключения

предназначены для достижения достаточной мощности [22–23].

Sarinee et al. Выявлено, что напряжение увеличивается 2

в 4 раза, когда модули соединены последовательно, а

на ток не сильно влияет [3].

ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ

Следующие технологические преимущества

могут быть использованы при проектировании генератора энергии на основе ТЭГ.

 Твердотельная конструкция (без движущихся частей)

 Диффузионные барьеры (стандарт для всех устройств MI)

обеспечивают превосходную долгосрочную термическую стабильность

и высокую надежность.

 Точный контроль температуры.

 Работа без вибрации.

 Не содержит хлор-фторуглеродов, для применений

, где использование газов запрещено.

 Отсутствие акустических или электрических шумов.

 Выполняется в любой физической или гравитационной ориентации

, в том числе в перевернутом положении или

боком.

 Работает в условиях невесомости.

 Выдерживает высокие перегрузки в космосе и

военных приложений.

 Масштабируемость размеров и производительности.

VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Термоэлектрические устройства имеют преимущество перед традиционными источниками

, несмотря на их низкую эффективность.

Более того, их универсальность в применении охлаждения и выработки энергии

также делает их более чем

устройств с электрическим приводом. Поскольку напряжение, получаемое от термоэлектрического генератора

, очень мало, определенные комбинации модулей

, включенных последовательно и параллельно, делают выработку электроэнергии

сравнительно эффективной.Исходя из соображений стоимости

, термоэлектрики дороже, чем другие методы выработки энергии

, но всегда можно найти компромисс между стоимостью

и традиционными энергетическими ресурсами. Наш прототип генерирует 3,05 вольт и 2,68

вольт из промышленных отходов тепла и

автомобилей соответственно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Суреш Балпанде, Раджеш С. Панде, Раджендра М.Патрикар, Дизайн

и низкозатратное производство сборщика энергии зеленой вибрации,

Elsevier, Датчики и приводы, A: Physical, Volume 251, 1

ноябрь 2016 г., страницы 134-141, ISSN 0924-4247,

http: //dx.doi.org/10.1016/j.sna.2016.10.012

[2] Сураш Балпанде, Маниш Бхайя, доктор, Раджеш С. Панде, Low

Стоимость изготовления пьезоэлектрического генератора на основе полимерной подложки

С PPE, IDE и ME, принятая рукопись, IET

Electronics Letter, ISSN 1350-911XPrint ISSN 0013-5194 DOI:

10.1049 / el.2016.4099

[3] Сарини Оуитракул, Предварительный эксперимент для электроэнергии

Генерация с использованием модулей Пельтье, 78-1-4799-2993-1 / 14 / 31,00 долл. США

© 2014 IEEE

[4] Интернет-источник: www.reuk.co.uk/wordpress/thermoelectric/what-is-

a-peltier-cooler /

[5] П.М.Соланки, доктор Д.С. Дешмук, доктор В.Р. рассматривается для термоэлектрического

Проектирование систем выработки электроэнергии, Международная конференция по

Глобальные тенденции в проектировании, технологиях и менеджменте

(ICGTETM-2016), ISSN: 2231-5381

[6] Аллвин Хосе, Алан Д’суза, Сарвеш Дандекар, Джитеш

Карамчандани, Паван Кулкарни, Кондиционер с использованием модуля Пельтье

, Международная конференция по технологиям для устойчивого развития

2015 г. (ICTSD-2015), 978-1-4799-8187-

8/15 / $ 31 .00 © 2015 IEEE

[7] Такафуми Хатано, Мингконг Денг и Шин Вакитани, A

Система охлаждения и удержания тепла, управляемая устройством Пельтье

С учетом управления двигателем вентилятора, 2014 IEEE International

Конференция по науке об автоматизации и Engineering (CASE)

Тайбэй, Тайвань, 18-22 августа 2014 г., 978-1-4799-5283-

0/14 / $ 31,00 © 2014 IEEE

[8] Д-р Стивен О’Халлоран, г-н Мэтью Родригес, Пауэр и

Измерение эффективности термоэлектрического генератора, AC

2012-3976

[9] Сигенао Маруяма, Ацуки Комия, Хироки Такеда и Сетсуя

Айба, Разработка охлаждающего устройства с точным контролем температуры для

Медицинское применение с использованием эффекта Пельтье-2008

Международная конференция по биомедицинской инженерии и

Информатика — Институт гидродинамики, Университет Тохоку — 2008

Международная конференция по биомедицинской инженерии и

информатике, 978-0-7695-3118-2 / 08 $ 25.00 © 2008 IEEE / DOI

10.1109 / BMEI.2008.239

[10] Мохак Гупта, Обзор блока рекуперации тепла с термоэлектрическими генераторами

, Международный журнал инженерии

и инновационных технологий (IJEIT), том 4, выпуск 4, Октябрь

2014, ISSN: 2277-3754

[11] Оскар Анхелес Фрагосо, Фернандо Адан Серрано Ороско, Хесус

Одело Гонсалес и Георгий Логвинов, Линейная теория

Thermoelectric Cooling 9-0002 на основе 2-го термоэлектрического эффекта

. Международная конференция по электротехнике и электронике

Engineering (ICEEE) и XI конференция по электротехнике

Engineering (CIE 2005) — — Номер в каталоге IEEE: 05EX1097

ISBN: 0-7803-9230-2 / 05 / $ 20.00 © 2005 IEEE.

[12] Рашит Ахыска, Хаяти Мамур, Обзор: Термоэлектрические генераторы

в возобновляемых источниках энергии, Международный журнал

Исследования в области возобновляемых источников энергии, Том 4, № 1, 2014 г.

[13] Фанкай Мэн, Линген Чен , Фенжуй Сан, Эффекты температурной зависимости термоэлектрических свойств

от мощности

и эффективности многоэлементного термоэлектрического генератора

, Международный журнал энергетики и

Окружающая среда, Том 3, Выпуск 1, 2012 стр.137-150.

[14] DCTalele, доктор DS Deshmukh, PM Solanki опубликовали статью

на тему «Конструктивные соображения для термоэлектрического генератора

Performance Improvement: A Critical Review», PRATIBHA:

International Journal of Science, Spirituality, Business and

Технология (IJSSBT), Vol. 3, No. 2, июнь 2015 ISSN (Print)

2277-7261.

[15] Сакет Кумар, Ашутош Гупта, Гаурав Ядав, Хемендер Пал

Сингх, Модуль Пельтье для охлаждения и отопления с использованием встроенной системы

, Международная конференция 2015 года по последним достижениям в области управления, автоматизации и энергетики

( RDCAPE), 78-1-4799-7247-0 / 15/31 $.00 © 2015 IEEE

Международный журнал инженерных исследований и технологий (IJERT)

ISSN: 2278-0181 http://www.ijert.org

IJERTV6IS010308

Vol. 6 Выпуск 01, январь-2017

(Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0.)

Издатель:

www.ijert.org 456

Эластичная ткань генерирует электроэнергию из термоэлектрических волокон

Конструкция и характеристики ТЕ-модулей

В данной работе разработан практический пример активного ТЕ-материала волокон из углеродных нанотрубок (CNTF).УНТФ, использованный в этой статье, был приготовлен путем скручивания четырех пленок УНТ, синтезированных методом плавающего катализатора 24 , с целью повышения прочности на разрыв для последующего плетения. На изображении просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (ФЭ-СЭМ) (дополнительный рис. 1а, б) видно, что УНТФ имеет диаметр ~ 280 мкм и состоит из тысяч многослойных УНТ с толщиной ~ 11 диаметр нм. На рис. 1a – f схематически показан процесс изготовления ТЕ модулей.Сначала CNTF подвергали p-гибридизации путем погружения в коммерческий раствор поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) (подробности описаны в дополнительном примечании 1). Впоследствии CNTF n-типа был получен с равным интервалом с использованием маски из полипропилена (PP) путем легирования олеамином в сочетании с технологией электрораспыления. Поэтому было сформировано TE-волокно с попеременно легированным n- или p-сегментом на расстоянии ( L — 4 мм) / 2, как схематично показано на рис. 1c, где L (мм) — длина p – n повторяет единицу волокна.Нелегированная секция длиной 2 мм является электропроводной и рассматривается как электрическое соединение (электрод) между двумя легированными секциями. Кроме того, чтобы избежать короткого замыкания, легированный УНТФ был обернут акриловыми волокнами с использованием метода свертывания, как показано на рис. 1d, e, за исключением сегмента электрода, который был открыт для максимального теплового контакта между ТЭГ и телом человека. (подробности можно увидеть на дополнительном рис. 2). Наконец, легированные TE-волокна были согнуты в TE-петли (TE-модули) с повторяющейся длиной L с использованием вязальной спицы требуемого диаметра 3 или 6 мм по траектории, состоящей из круглых и прямых частей, здесь называемых дугой и столбиком, соответственно, как показано на рис.1f. Следует отметить, что электрод и ветвь p / n должны располагаться в положении дуги и стойки ТЕ-петли, соответственно, для изготовления ТЭГ. Механическая стабильность петли ТЕ была дополнительно изучена путем измерения изменения электрического сопротивления в зависимости от угла изгиба и циклов изгиба. Как показано на дополнительном рис. 3a – c, колебания электрического сопротивления составляют <0,5%, что указывает на механическую устойчивость контура TE.

Рис. 1: Схематическое изображение процесса изготовления петель ТЕ.

a p-Гибридизированный CNTF. b УНТФ n-типа, легированные методом электроспрея. c TE волокна. d TE волокна, обернутые акриловыми волокнами. e Вид в разрезе структуры d , Φ — это диаметр TE волокна после наматывания. f петли TE.

Характеристики материала TE играют важную роль в свойствах устройств TE. Как изображено на рис. 2а, чистые CNTF обладают положительным коэффициентом Зеебека ( α ) из-за примеси кислорода 25,26,27,28 , что свидетельствует о дырочных носителях большинства.Электропроводность CNTF увеличивается с 820 до 950 Scm -1 после p-гибридизации, в сочетании с увеличением α (как ранее сообщалось в CNT / PEDOT: PSS composites 29 ), что приводит к увеличению мощности коэффициент от 185 до 330 мкВтм −1 K −2 . Сравнивая морфологию поверхности первичного и p-гибридизированного CNTF на фиг. 2b, c, можно увидеть смутно видимую волокнистую сеть, возникающую из слоя покрытия PEDOT: PSS после процесса погружения.Присутствие слоя PEDOT: PSS было дополнительно подтверждено спектром комбинационного рассеяния на дополнительном рисунке 4.

Рисунок 2: Характеристики CNTF.

— характеристика TE первичного CNTF, легированного CNTF и гибридизированного CNTF. b d FE-SEM изображения поверхности CNTF. b Чистый CNTF, c p-гибридизированный CNTF и d n-легированный CNTF. Масштабные линейки, 1 мкм. e Зависимость коэффициента Зеебека от векторного расстояния блока TE. Длина повтора установлена ​​на 3.2 см, а центр электрода служит началом. f Выходное напряжение двух блоков TE, изученных в e . Все полосы погрешностей представляют собой s.e.m.

Получение стабильных ТЕ-устройств на основе УНТ n-типа остается большой проблемой. CNTF был преобразован в материал n-типа (рис. 2a) с коэффициентом Зеебека -64 мкВ · К −1 после легирования олеамином в течение 1 часа на основе технологии электрораспыления (условия легирования показаны на дополнительном рис. 5a, b. ).Интересно, что коэффициент Зеебека стабилен после выдержки на воздухе в течение более 800 часов (согласно дополнительному рис. 6), и эта стабильность лучше, чем недавняя работа с CNT n-типа 25,30 . В отличие от традиционного метода легирования полиэтиленимином (PEI) n-легированием 26,31 , легирование олеамином в сочетании с технологией электрораспыления превосходит в отношении короткого времени легирования, что обеспечивает высокий коэффициент Зеебека, а также отличную стабильность на воздухе. Покрытие олеамина на УНТ можно увидеть на рис.2d, что приводит к более толстым пучкам УНТ, чем у чистых УНТ. Изолированное олеаминовое покрытие, в свою очередь, приводит к небольшому снижению электропроводности, тем не менее, благодаря высокому коэффициенту Зеебека был достигнут высокий коэффициент мощности 320 мкВт · м -1 K -2 . Спектры комбинационного рассеяния света на дополнительном рисунке 7 дают более полное представление об эффекте n-легирования, в котором увеличенное отношение интенсивностей режима D к G иллюстрирует ковалентное, а также нековалентное взаимодействие 26 между УНТ и олеамином, полученным с использованием технологии электрораспыления. .

Как известно, объединить как n-, так и p-сегменты в единый блок УНТ π-типа — большая проблема из-за проникновения легирующих добавок в соседние части 16,32 . Мы сравнили наш метод легирования электрораспылением с традиционным методом погружения, как показано на рис. 2e. Отрицательный коэффициент Зеебека появляется в части p-сегмента в случае метода погружения. Процесс легирования электрораспылением показан на дополнительном рис. 8. Капля, содержащая допант, была разделена на монодисперсные микрокапли, приводимые в движение отталкивающими электрическими зарядами, а затем осаждалась с повышенной скоростью из-за электростатической силы.Наконец, ускоренные капли олеамина быстро проникли в УНТ вместо того, чтобы диффундировать в горизонтальном направлении. В результате за счет точной локализации n-легирования, как показано на рис. 2e, f, было получено трехкратное повышение выходного напряжения на единицу повторения с помощью технологии электрораспыления. Обратите внимание, что легирование электрораспылением совместимо не со всеми легирующими добавками.

Эффективная конфигурация контуров TE для TEG

Высокая эффективность TE важна для TEG. Однако другой основной проблемой носимых ТЕ-устройств является разработка эффективной архитектуры, которая соответствует направлению теплового потока, находящемуся вне плоскости.Чтобы сформировать трехмерную архитектуру, удовлетворяющую вышеуказанному требованию, подготовленные контуры TE должны быть заблокированы, как показано на рис. 3a. Как указано, положение опоры TE-петли 1 перекрывается положением дуги TE-петли 2, положение опоры которой перекрывает положение дуги TE-петли 3, образуя альтернативный режим блокировки. Наиболее интересно то, что благодаря упругой силе изгиба волокон, TE-петли, заблокированные в указанном выше режиме, могут автоматически стоять под углом в направлении вне плоскости без подложки.Ряды этого переплетения могут образовывать трехмерную архитектуру для создания текстиля TE, как схематично показано на рис. 3c. Угол определяется параметрами плетения (длина раппорта L , диаметр Φ, и т. Д.). Обратите внимание, что этот режим блокировки может быть достигнут на тканях большой площади в текстильной промышленности. На рис. 3e показаны иллюстрации TE-модулей, соответствующих традиционным TE-устройствам на рис. 3c, и это доказывает компактные и эффективные TE-модули, в которых ветви p / n соединены электрически последовательно, а термически — параллельно.Здесь изготавливается текстильный материал TE с 15 модулями TE, чтобы предоставить более подробную информацию о формировании трехмерной архитектуры на рис. 3g, h. Как можно видеть, только открытый электрод, расположенный в положении дуги каждого блока ТЕ, можно увидеть на обеих поверхностях, что способствует тепловому контакту с горячим или холодным источником. Однако обернутые акриловым волокном TE ножки не видны, потому что обернутые TE ножки находятся внутри текстиля, о чем свидетельствует изображение поперечного сечения оптической микроскопии в продольном направлении (дополнительный рис.9а – г). Обратите внимание, что только режим блокировки на рис. 3a может привести к формированию трехмерной архитектуры, используя эластичность изгибаемых волокон. Для сравнения на рис. 3b показан обычный режим конфигурации, в котором положение опоры ТЕ-контура последовательно перекрывается положением дуги следующего ТЕ-контура. Этот режим блокировки приводит к формированию двумерной архитектуры в направлении в плоскости, как показано на рис. 3d, f. Фотографии текстильных изделий TE с 15 блоками TE на рис. 3i, j также означают, что все открытые электроды показаны на одной поверхности, в то время как ножки TE, обернутые волокнами, лежат плоско на другой поверхности.Выходные напряжения двух архитектур были дополнительно сравнены на рис. 3k, показывающее, что выходное напряжение 3D-архитектуры в ~ 24 раза выше, чем у 2D-архитектуры. Как указано выше, просто изменяя режим блокировки, обычное устройство 2D TE может быть преобразовано в архитектуру 3D, что обеспечивает высокую производительность. Кроме того, производительность блока 3D TE с прямым плетением также сравнивалась с блоком CNT, в котором только волокна TE проходят через эту трехмерную текстильную подложку на дополнительном рис.10 и дополнительные видеоролики 1 и 2. Как показано, непосредственно сотканные блоки 3D TE обладают более высокой разницей температур и выходным напряжением. Подробный анализ можно увидеть на дополнительном рис. 10. По сравнению с другим текстильным режимом для ТЭГ (показанным на рис. 4), автоматически формируемая трехмерная архитектура благодаря силе упругости, а не поддерживающая подложка, является ключевым отличием в отличие от к заявленным устройствам 3D TE, где механические свойства, стабильность и характеристики TE могут быть ограничены подложкой.

Рис. 3: Архитектура и тепловые характеристики текстильных изделий TE.

a , b Режимы конфигурации контуров TE, b показывает обычные режимы . c , d Схематические изображения текстильных изделий TE, сконфигурированных по режиму a и b соответственно. e , f Иллюстрации ТЕ-модулей, соответствующих устройствам 3D TE c и обычным d соответственно. г , h Фотографии архитектуры с 15 элементами, отображенными на иллюстрациях c ( L = 32 мм, Φ = 3 мм). g показывает вид спереди, а h показывает вид сзади. i , j Фотографии архитектуры с отображением 15 единиц на иллюстрациях d ( L = 32 мм, Φ = 3 мм). i показывает вид спереди, а j показывает вид сзади. k Зависимость выходного напряжения двух архитектур от разницы температур.Черный и красный кружки представляют архитектуру 1 и 2 соответственно. Моделирование распределения температуры l и m теплового потока вдоль контуров (ветвей TE) с обертыванием или без него.

Рис. 4: Сравнение с другим текстильным режимом для ТЭГ.

a 2D-ТЭГ в плоскости, включая основовязаное, тканое и уточное трикотажное полотно. b Трехмерные внеплоскостные ТЭГ на подложках, включая основовязаные, тканые, уточные и трехмерные разделительные ткани с поддерживающими нитями или подложками. c Трехмерные внеплоскостные ТЭГ без подложки, изготовленные с использованием эластичности изгибаемых волокон, сцепленных в двухмерном пространстве.

На практике температура горячего конца ТЭГ зависит от контакта с поверхностью тела человека, в то время как холодный конец зависит от окружающей конвекции. Следовательно, тепловое проектирование при сборе электроэнергии имеет жизненно важное значение, особенно для носимых устройств. На основе базовой термоэлектрической теории 4,33 электрическая мощность ( P ), преобразованная из тепла для носимого комбайна TE, может быть описана следующим образом: P = η 0 Δ T TE Q TE (подробности см. В дополнительном примечании 2), где η 0 — почти постоянное значение для данных материалов TE с характеристической добротностью zT . Q TE и Δ T TE представляют теплоту, протекающую через ветви TE, и разность температур, соответственно. Следовательно, для выработки электроэнергии устройством TE требуется Δ T TE и Q TE . TE-устройства, изготовленные из свернутых 2D-пленок на подложке, должны учитывать уменьшенный Q TE , который возникает в результате теплового шунтирования через подложку 22 .Напротив, автоматически устанавливаемые ТЕ-модули в этой бумаге могут контактировать с источником тепла / холодной стороной напрямую без подложки, хотя изолирующая обертка может иметь аналогичный эффект. Чтобы оценить влияние оберточного слоя на тепловые характеристики, с помощью анализа конечных элементов (FEA) моделируются разность температур Δ T TE и нагрев Q TE через стоящие стойки TE. Подробности моделирования приведены в разделе «Метод». Результаты численного моделирования на рис.3l, m обозначают немного больший перепад температур и 10-кратное увеличение количества тепла, протекающего через ветви TE, по сравнению с петлями TE без обертывания. Как дополнительно показано на дополнительном рисунке 10, этот упакованный блок может поддерживать более высокую и более стабильную разницу температур (динамическое обнаружение можно увидеть в дополнительных фильмах 2 и 3) по сравнению с развернутым блоком, что также способствует более высокому выходу Напряжение. Этот результат соответствует результатам численного моделирования. Приведенные выше результаты можно объяснить типовой тепловой схемой (дополнительное примечание 2) 33 .Комбинированное тепловое сопротивление ( HX ), обратное значение которого представляет способность теплообмена на горячей / холодной стороне, последовательно соединяет сопротивление материалов TE ( Θ TE ). Исходя из заданной разницы температур между источником тепла и окружающей средой (Δ T подача ), Q TE можно получить по уравнению: Q TE = Q HX = Δ T питание / ( Θ HX + Θ TE ).Фактически, оберточные слои могут увеличивать площадь отвода тепла, то есть термическое сопротивление снижается на холодной стороне. Таким образом, уменьшенное Θ HX способствует увеличению Q TE , за которым следует увеличенное Δ T TE в соответствии с уравнением: Δ T TE = Θ TE Q TE . Это означает, что оберточные слои могут не только избежать короткого замыкания, но также оптимизировать тепловую конструкцию устройств TE, что указывает на рациональность нашей конструкции для носимых TEG.

Биаксиальная растяжимость со стабильными характеристиками TE

В отличие от ранее описанных устройств TE с трехмерной архитектурой с ограниченной растяжимостью 10,11,16,18,32 , текстиль TE в этой статье не только гибкий, но и растяжимый. Что еще более важно, продольная растяжимость этого TE-устройства в основном является результатом конфигурации каждого TE-блока, а не деформации каждого TE-блока, о которой сообщалось ранее в гибких / растягиваемых TE-устройствах 4,12,34 .Фактическое отсутствие изгиба ТЕ-материала во время растяжения позволяет избежать потенциального разрушения ТЕ-материалов. Как показано на рис. 5а, устройства TE можно растянуть в продольном направлении более чем на 80%. На рис. 5b схематично показано соответствующее структурное изменение во время растяжения на 80%: агрегированные петли ТЕ автоматически разводятся, но в каждом узле ТЕ возникает лишь очень небольшая деформация после 50% уменьшения угла стояния с ~ 40 ° в исходном состоянии. состояние до ~ 20 ° при деформации 80%, как показано на рис.5c. Таким образом, превосходная растяжимость фактически использует силу упругости, возникающую из режима блокировки, показанного на фиг. 3a. Растяжение и автоматическое агрегирование — это пара обратимых операций, которая придает устройствам TE выдающуюся конформность, как показано в дополнительном ролике 4. Дополнительный рисунок 11a показывает, что растяжение устройства более чем на 80% не вызывает электрического сбоя. На фиг.5d, e также показано ухудшение рабочих характеристик TE по сравнению с продольным растяжением при различной разнице температур, создаваемой двумя элементами Пельтье.Небольшая деформация в 20% может немедленно привести к увеличению выходного напряжения на ~ 3%, что можно приписать усиленному тепловому контакту в результате более плоской границы раздела на краю устройств TE с горячим элементом Пельтье, как показано на рис. 5c. В случае дальнейшего растяжения преобладает уменьшение Δ T TE , вызванное уменьшением угла стояния (меньший угол стояния усиливает тепловую конвекцию с источником тепла), что оказывает отрицательное влияние на выходное напряжение. Тем не менее, максимальный декремент, полученный в случае деформации 80% и 40 К, составляет <3.2%, что свидетельствует о потенциале изготовленного устройства, работающего как растягиваемый и носимый генератор энергии.

Рис. 5: Продольная растяжимость устройств TE.

Фотографии a, , вид сверху и b, , схема после продольного растяжения на 0%, 40% и 80%. Выделенная область в a указывает эффективные ТЕ-модули с 15 (3 × 5) единицами, чья деформация равна общему текстилю. c Инфракрасные тепловые изображения вида сбоку, контактирующего с элементом Пельтье (~ 318.1 К). Пунктирной линией в c отмечен угол стояния петель ТЕ. d Кривая отклика выходного напряжения в реальном времени устройства TE растянулась до 80% при различных перепадах температур. Разница температур создается двумя элементами Пельтье. e Ухудшение рабочих характеристик TE в зависимости от продольной деформации. Берутся средние значения не менее шести измерений. Все полосы погрешностей представляют собой s.e.m. В 0 — выходное напряжение ТЭ устройства без растяжения. f График зависимости выходного напряжения в реальном времени устройств TE, прикрепленных к подвижному колену. g На фотографиях показано движение локтя, соответствующее графику f . Красные стрелки на графике f указывают на движение сгибания локтя, показанное в g .

Другим преимуществом устройства TE является его свойство двухосного растяжения, а не одноосное устройство TE, которое в настоящее время является растягиваемым, 4,34 . Как показано на дополнительном рис. 12a – c, устройства TE могут быть растянуты в поперечном направлении более чем на 60%, что сопровождается устойчивым небольшим увеличением выходного напряжения, которое может достигать ~ 10%.Увеличение выходного напряжения может быть связано с большей площадью контакта с источником тепла во время поперечного растяжения.

Мы дополнительно проверили практичность наших устройств TE, изучив совместимость с частями тела произвольной геометрии или движения тела, а также стабильность на выходе. Устройства TE с 15 модулями TE были прикреплены к локтю человека и выдерживали нагрузку, возникающую в результате движения локтя. Как видно на рис. 5f, g, напряжение ~ 2,8 мВ генерировалось, когда модули TE были прикреплены к локтю человека, и амплитуда напряжения ~ 4%, относящаяся к растяжению, вызванному движением локтя, могла быть стабильно получена во время динамического процедура тестирования (это динамическое тестирование показано в дополнительном ролике 5).Насколько нам известно, это первый раз, когда изготовлено растягивающееся устройство TE, которое представляет собой действительно пригодную для носки текстильную ткань, сопоставимую с коммерческой одеждой. Этот результат указывает на способность нашей архитектурной конструкции решать различные проблемы в термоэлектрических полях носимых устройств, в отличие от обычных гибких ТЕ-устройств, таких как растяжимость, конформность, большая площадь и стабильность для постоянного сбора электричества из человеческого тела.

Оптимизация вывода TEG

Плотность мощности, описываемая как выходная мощность на занимаемую площадь, была эффективным оценочным показателем для носимых устройств TE согласно предыдущим отчетам 18,20 .Как анализируется в дополнительном примечании 3 и дополнительном рисунке 13, мощность наших устройств TE сначала увеличилась, а затем уменьшилась с увеличением длины повтора L , что согласуется с традиционными жесткими устройствами TE с учетом контактного эффекта 35 , и максимум получается при L = ( Θ HX λS + 4 N ) / N . Для занятой зоны TE-петли можно рассматривать как недеформированные однородные цилиндры, поддерживающие контакт в точках пересечения, со ссылкой на обычную ткань 36 .Форма петли, построенная на основе этого упрощенного предположения, показана на дополнительном рис. 14a, b, и видно, что занимаемая площадь может быть оценена как Площадь ≈ 4 2 , здесь N — это общая единица измерения. количество, а Φ — это диаметр TE волокна после наматывания (подробности анализируются на дополнительном рис. 14). Однако квадратичная зависимость между занимаемой площадью и диаметром Φ не означает, что простое уменьшение Φ будет способствовать более высокой плотности мощности.Следует отметить, что меньший диаметр Φ и более длинная длина TE-повтора L приведет к ослаблению TE-ткани с последующим уменьшением угла стояния каждой TE-петли, что отрицательно сказывается на теплопередаче, а также на механических нагрузках. свойства устройства TE. Здесь мы вводим понятие коэффициента заполнения δ = L / Φ (арт. 37 ), чтобы численно охарактеризовать герметичность. Чтобы изготовить текстиль TE с оптимизированной удельной мощностью и механическими свойствами, на первом этапе необходимо обеспечить высокую герметичность δ .Константа δ вносит вклад в L в зависимости от Φ , указывая на важность L для оптимизации плотности мощности.

Дана высокая герметичность δ 10,6, и длина L ТЭГ ТЭГ с таким же количеством элементов была изменена с 32 до 16 мм для оптимизации удельной мощности. Резко уменьшенная занимаемая площадь видна на рис. 6а. Кроме того, толщина ТЭГ уменьшилась с 7,8 до 3,8 мм, но сохранены углы стояния ветвей ТЭО ~ 40 °.На рис. 6а также показана способность подготовленного ТЭГ адаптироваться к различным условиям нагружения, например, изгибу, скручиванию и складыванию. Кроме того, напряжение 3,5 мВ может быть немедленно обнаружено, когда кончик пальца человека касается небольшого ТЭГ, как показано на рис. 6b. Выходное напряжение при различных устойчивых перепадах температур показано на рис. 6c. Когда применяется разница температур по толщине, сразу создается очевидное зеебековское напряжение. После уменьшения длины раппорта до 16 мм напряжение уменьшается на ~ 26%, в соответствии с положительной зависимостью разницы температур на ветвях ТЕ Δ T TE от длины раппорта L (дополнительное примечание 3).И наоборот, мощность увеличивается после уменьшения длины повтора до 16 мм, как показано на рис. 6d, e. При разнице температур 44,4 К мощность увеличивается с 4,40 до 4,64 мкВт, что сопровождается увеличением тока короткого замыкания с ~ 450 до ~ 700 мкА. Результаты показывают, что уменьшение внутреннего сопротивления R 0 (с ~ 107 до ~ 47 Ом) может компенсировать потери мощности, вызванные снижением выходного напряжения, когда длина повторения регулируется с 32 до 16 мм. 4-кратное увеличение плотности мощности достигается после уменьшения длины повтора с 32 до 16 мм, как показано на рис.6f. При разнице температур 44,4 К удельная мощность увеличивается с 14000 мкВтм -2 с L = 32 мм до 69000 мкВтм -2 с L = 16 мм.

Рис. 6: Выходные характеристики тканого ТЭГ.

a Фотография ТЭГ, состоящая из 15 блоков (3 × 5) с разными L и идентичными δ . Параметры большего из них установлены на L, = 32 мм, Φ = 3 мм, а параметры меньшего установлены на L, = 16 мм, Φ = 1.5 мм. Масштабные линейки 1 см. b Отображение выходного напряжения ТЭГ (15 единиц) с длиной повтора 16 мм до и после касания кончиком пальца. c Контраст выходного напряжения двух ТЭГ при различных устойчивых перепадах температур, определяемый элементами Пельтье. d , e Выходная мощность ТЭГ с L 16 мм / 32 мм при различных устойчивых перепадах температур. R 0 — внутреннее сопротивление ТЭГ. f Плотность мощности ТЭГ с разной длиной повтора L при различных устойчивых перепадах температур. г Максимальная плотность мощности, приведенная к квадрату разности температур Δ T 2 нашего устройства по сравнению с несколькими точками литературных данных. Показанная здесь плотность мощности a выражается как выходная мощность на единицу занимаемой площади, подробности расчета показаны в дополнительной таблице 1.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату разности температур, как показано в дополнительном примечании 3 и дополнительном рис. 15, логично провести сравнение выходных характеристик на основе плотности мощности, нормированной на квадрат разности температур Δ T 2 , принимая во внимание разнообразие данной разности температур, изученное в различных отчетах.Выходные характеристики (35 мкВтм −2 K −2 ) нашего ТЭГ с повторяющейся длиной 16 мм ( δ = 10,6) превосходит ранее заявленные гибкие органические ТЭГ 4,16,20,30,31, 32,38,39,40,41,42,43,44,45 и даже некоторые неорганические генераторы 46 , как показано на рис. 6g (подробности расчета показаны в дополнительной таблице 1). Что еще более важно, наш TEG может быть легко вплетен в одежду в крупных масштабах, конкурируя с коммерческой одеждой, благодаря своей превосходной гибкости и удобству ношения.Исходя из выходной мощности для повторяющейся длины 16 мм, одежда TE, покрывающая ~ 40% площади поверхности взрослого (0,86 м 2 , ~ 190 000 пар последовательно), может генерировать мощность ~ 200 мкВт и напряжение холостого хода ~ 20 В. в 2,6 K разности температур между тканями TE, вызванной человеческим телом (температура окружающей среды 26 ° C), как показано на дополнительном рисунке 16, который, как ожидается, будет использоваться для питания переносных микроваттных датчиков тела, таких как электрокардиограмма 47 и пульсоксиметр 48 , особенно в экстремальных условиях.Энергопотребление такого миниатюрного устройства составляет сотни мкВт.

Приведенные выше результаты подтверждают практическую перспективу наших ТЭГ в питании портативной электроники. Плотность мощности ТЭГ может быть улучшена путем дальнейшего соответствующего изменения как длины повторения, так и толщины оберточных слоев из-за сложной зависимости длины повторения L и диаметра Φ от мощности, занимаемой площади и комбинированного теплового сопротивления. Волокна TE легко обернуть ультратонким изолирующим слоем, используя технику электроспиннинга, если требуется короткая длина повтора.Кроме того, эта архитектурная конструкция применима к широкому спектру активных материалов на основе волокон, таких как металлические проволоки, волокна, покрытые активными материалами с использованием методов капельного литья, нанесения покрытия погружением, трафаретной печати и магнетронного распыления. Использование более эффективных волокон на неорганической основе может дополнительно обеспечить еще более высокую удельную мощность. Кроме того, режим блокировки контуров ТЕ в этой работе может быть достигнут в большой области текстильной промышленности, открывая возможности для будущего промышленного производства.Они подтверждают применимость нашей конструкции ТЭГ в электроснабжении за счет тепла тела.

Можно ли преобразовать тепло напрямую в электричество? — MVOrganizing

Можно ли преобразовать тепло напрямую в электричество?

Термоэлектрические материалы генерируют энергию непосредственно из тепла, преобразуя разницу температур в электрическое напряжение. Низкая теплопроводность гарантирует, что когда одна сторона нагревается, другая остается холодной, что помогает генерировать большое напряжение в условиях температурного градиента.

Какой преобразователь энергии самый эффективный?

Ксенон, безусловно, самый эффективный из газов, хотя криптон более эффективен при определенной длине волны света.

Как можно использовать тепло для производства электроэнергии дома?

Термоэлектронные генераторы преобразуют тепло или свет в электрический ток, используя разницу температур между двумя металлическими пластинами, разделенными вакуумом. «Горячая» пластина нагревается либо падающим светом, либо теплопроводностью, и это вызывает испарение электронов с ее поверхности.

Как отработанное тепло преобразуется в электричество?

Другой подход к преобразованию отработанного тепла в энергию — использование термоэлектрического модуля (ТЕМ). В TEM используется термоэлектрический генератор, который представляет собой твердотельное устройство, которое преобразует разницу температур непосредственно в электрическую энергию посредством явления, называемого эффектом Зеебека.

Как получают энергию из тепла?

Термоэлектрические системы сбора урожая могут использоваться для преобразования тепловой энергии, содержащейся в потоке жидкости, в электричество.Вероятными источниками могут быть стоки с угольных и атомных электростанций. Также можно собирать отходящее тепло от солнечных тепловых и геотермальных электростанций.

Электричество горячее или холодное?

Электрический ток — это поток электронов через среду. Эти маленькие отрицательно заряженные частицы сталкиваются с атомами среды (проволоки), и эти столкновения вызывают выделение энергии (в виде тепла). Не жарко.

При какой температуре перестает течь электричество?

Теоретически электричество течет при абсолютном нуле.Сверхпроводники имеют нулевое сопротивление при температурах, близких к абсолютному нулю. Электрический ток может течь вечно в замкнутой цепи из сверхпроводника. Но на практике достичь абсолютного нуля невозможно.

Может ли огонь вырабатывать электричество?

МОЩНОСТЬ | Термоэлектрический генератор PowerPot — это термоэлектрический генератор, который использует тепло для выработки электроэнергии. Просто добавьте воды и поместите PowerPot в огонь (например, дрова, пропан, бутан, спирт, газ), и через несколько секунд он начнет вырабатывать электричество.

Можно ли использовать холод для выработки электроэнергии?

Ученые нашли способ использовать холод ночи для выработки электроэнергии. Процесс, называемый радиационным охлаждением неба, может генерировать достаточно электроэнергии для питания светодиодной лампы. Думайте об этом как о солнечных батареях, за исключением того, что для получения энергии используется изменение ночной температуры, а не солнце.

Как называется энергия холода?

Это известно как поступательная кинетическая энергия, и это основная форма кинетической энергии для газов и жидкостей.Молекулы воды во льду колеблются в фиксированном положении и, как следствие, обладают «колебательной» кинетической энергией.

Какой вид энергии хранится в резервуаре?

Вода в водохранилище за плотиной гидроэлектростанции — еще один пример потенциальной энергии. Накопленная энергия в резервуаре преобразуется в кинетическую энергию (движение), когда вода течет по большой трубе, называемой напорным затвором, и вращает турбину.

Может ли охладитель Пельтье вырабатывать электричество?

Модуль Пельтье позволяет превращать тепло в электричество.Поскольку вы можете разместить его в обычно теплых местах, вырабатываемое электричество в некотором смысле «бесплатное», хотя лучше всего он работает, когда одна сторона модуля холодная, а другая горячая.

Сколько мощности производит Пельтье?

Один ТЭГ вырабатывает мощность от 1 до 125 Вт. Использование большего количества ТЭГ в модульном соединении может увеличить мощность до 5 кВт, а Δ T max может быть больше 70 ° C. Источник тепла, например, система тепловых труб (устройства ТЭГ и система тепловых труб могут использоваться вместе в системах утилизации отработанного тепла).

Сколько вольт может произвести Пельтье?

Таким образом, наиболее распространенные устройства Пельтье теперь используют этот формат, соединяя более пары сотен таблеток, и это позволяет устройству по-прежнему потреблять только, например, 5 ампер, вместо того, чтобы более тысячи, каждое из которых было подключено параллельно. Большинство из них предназначены для работы в системах с напряжением от 12 до 16 вольт.

Насколько холодным может быть охладитель Пельтье?

Пластина Пельтье в стандартном переносном термоэлектрическом охладителе потребляет 3-5 ампер.Он способен выдерживать температуры примерно на 40 градусов по Фаренгейту ниже, чем температура окружающей среды. Это означает, например, что если ваш кулер стоит на улице в 80-градусный день, самый холодный, который он может получить, будет 40 градусов.

Может ли Пельтье заморозить воду?

1,5 часа), чтобы заморозить один литр воды от 40 ° C. Термоэлектрические модули (ТЕМ), работающие на эффекте Пельтье, могут обеспечивать высокую скорость охлаждения при работе от источника постоянного тока. С помощью таких ПЭМ воду можно заморозить без хладагента, при этом время замораживания значительно сокращается до 3 минут.

Почему Пельтье не используется в AC?

Большинство термоэлектрических охладителей не охлаждают ниже 50 ° F. Кроме того, термоэлектрические охладители не рекомендуется использовать в помещениях с температурой выше 80 °. Это связано с тем, что устройство Пельтье не способно к большому тепловому потоку и действительно может снизить температуру только примерно на 20 градусов.

Насколько эффективно охлаждение Пельтье?

В холодильной технике термоэлектрические соединения имеют примерно 1/4 КПД по сравнению с традиционными средствами: они предлагают примерно 10–15% КПД идеального холодильника с циклом Карно по сравнению с 40–60%, достигаемым в обычных системах с циклом сжатия (обратный цикл Ренкина). системы, использующие сжатие / расширение).

Как повысить эффективность Пельтье?

Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

  1. Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора.
  2. Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область.
  3. Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности.

Какой модуль Пельтье лучше всего подходит для охлаждения?

BQLZR Huge TEC1 — термоэлектрический охладитель Пельтье 62 мм x 62 мм x 4.8мм.

Может ли Пельтье охладить комнату?

1 Ответ. Термоэлектрические охлаждающие модули Пельтье можно использовать для охлаждения всего, что вам нравится.

Является ли Пельтье водонепроницаемым?

Серия AHP-3250 с приводом от Пельтье будет поддерживать эффективное охлаждение и обогрев, при этом сохраняя целостность NEMA12 / 4 / 4X вашего водонепроницаемого корпуса. Функция контроля температуры в экономичном режиме помогает экономить электроэнергию. Возможно повышение эффективности на 10% при более высоких температурах окружающей среды.

Сколько времени нужно Пельтье на работу?

Как долго прослужит типичная установка TECA? Ожидаемый срок службы модулей TECA высок благодаря долговечности твердотельной конструкции. Срок службы наших кондиционеров обычно превышает пять лет при нормальных условиях.

Можно ли штабелировать кулеры Пельтье?

Непосредственная укладка модулей Пельтье на практике проблематична. Требуется значительный теплоотвод. Вы можете представить себе последовательный массив Пельтье (сложенный) в системе как машину, которую необходимо «запустить».Если теплоотвод слишком велик, нагрев / охлаждение начнется бесконечно.

Какой Пельтье лучший?

  • TEC1-12706 Модуль Пельтье термоэлектрического охладителя.
  • Модули Пельтье TEC1-1264.
  • TEC1-40mm Термоэлектрический охладитель 15A Модуль Пельтье для промышленности.
  • 863 МГц ~ 870 МГц RF модули Пельтье.
  • TEC1-12706 Термоэлектрический охладитель Пельтье, модуль 12 В, 92,4 Вт.
  • Термоэлектрический охладитель — модуль Пельтье — TEC1-12706.
  • Модули Пельтье.

Как повысить эффективность термоэлектрического охладителя?

Вы могли бы:

  1. Лучше изолируйте кулер.
  2. Добавьте еще один термоэлектрический охлаждающий элемент. а.
  3. Добавьте больше воздушного потока с каждой стороны охлаждающего элемента. Если позволить горячей стороне подниматься намного выше температуры окружающей среды, холодная сторона станет соответственно более горячей.

Обратимы ли устройства Пельтье?

Многие вещи в физике обратимы, и Пельтье не исключение.Устройство на самом деле представляет собой форму термопары, а в термопаре разница температур вызывает разность напряжений.

Кто изобрел Пельтье?

Жан-Шарль-Афанас Пельтье

Какая сторона Пельтье холодная?

Модули охлаждения

Поместите модуль на плоскую поверхность так, чтобы провода указывали на вас, при этом положительный (красный) провод с левой стороны, а отрицательный (черный) провод — с правой стороны. В этой ориентации холодная сторона будет обращена вниз, а горячая сторона будет обращена к вам.

Разработайте наилучшую возможную термоэлектрическую генераторную систему

Блог Tecteg 2020-11-30T08: 52: 45 + 00: 00

Разработать лучшую возможную термоэлектрическую генераторную систему?

    1. потребует хорошо спроектированной мойки для жидкости. Не просто мойка для жидкости, а конструкция с низким расходом (менее 2 литров в минуту). Такой низкий расход снизит потребляемую мощность насоса. Поток должен быть параллельным, а не последовательным, чтобы сохранить DT для всех модулей, установленных на приемнике жидкости.Параллельный поток позволяет всем модулям подвергаться воздействию одинаковой входной тепловой температуры. Это важное соображение при проектировании, потому что, если один модуль подвергается воздействию повышенных температур на холодной стороне и он включен последовательно с другими модулями, этот модуль будет влиять на выходную мощность для этого массива или группы модулей.

    1. Горячая сторона TEG требует наличия наилучшего поглотителя тепла с большой площадью поверхности, если это возможно, или анодированной пластины для приема и поглощения максимального теплового потока, прежде чем он пройдет и уйдет в окружающую среду.У вас всегда будет теплоотвод в атмосферу, хитрость заключается в том, чтобы максимально ограничить эту потерю. Плотный радиатор с множеством плотно расположенных (анодированных) ребер — лучший, но не всегда возможный. В корпусе радиатора тепло поглощается и концентрируется рядом с массивом модулей, ограничивая прохождение теплового потока к поверхностям горячей стороны модулей, чем короче путь, тем лучше. Если путь тепла слишком длинный, то тепловое сопротивление материала ограничит его способность достичь своей цели и рассеяться в окружающую среду, прежде чем он сможет полностью адсорбироваться.

    1. Модуль TEG необходимо выбрать правильный модуль для проекта. Не используйте модуль Пельтье, если, например, вы хотите производить большое количество энергии (достаточное для зарядки сотового телефона). Они не предназначены для производства электроэнергии Seebeck. Используйте модули TEG с особыми характеристиками TEG1 серии для 320 ° C и ниже серии TEG1-PB для приложений выше 250 ° C до 320 ° C, модули CMO Cascade до 600 ° C и вскоре до 750 ° C.И только оксид CMO до 800 ° C.

    1. Выбор модуля серии TEG1 Если вы разрабатываете приложение с максимальной температурой горячей стороны 320 ° C, используйте TEG1-12610-5.1, TEG1-4199-5.3, TEG1-1263-4.3 или TEG1-12611 -6,0 для жидкостного охлаждения. Это потому, что эти модули быстрее передают тепло, потому что они тоньше. Меньше полупроводников термически быстрее тепловой поток. А поскольку жидкость может быстро отводить большие тепловые потоки, это означает больший тепловой поток, что приводит к увеличению выработки энергии.Если в конструкции используется воздушное охлаждение с радиатором и вентилятором, используйте ТЭГ1-12610-4.3, ТЭГ1-1268-4.3 и ТЭГ1-12611-8.0.

    1. Выбор серии TEG1 TEG1B-12610-5.1 — полупроводник Boutique. В частности, разработан для очень высоких температур горячей стороны в диапазоне от 260 ° C до 320 ° C. Эти температуры легко достигаются, когда у вас есть большой источник высокой температуры, но вы используете только несколько (4) модулей в своей конструкции, И используете радиатор и вентилятор.Два фактора объясняют, почему это утверждение верно. Во-первых, радиатор не может отводить много тепла; горячая сторона остается горячей, потому что тепловой поток ограничен методом отвода. Во-вторых, поскольку вы используете пару модулей, они не могут передавать большое количество тепла сами по себе, поэтому поглощающая пластина не потеряет свою температуру, и разница между температурой источника и горячей пластиной системы ТЭГ будет очень близкой.

    1. Выбор серии TEG1-PB TEG1-PB-12611-6.0 эти модули оптимизированы для работы при температурах в диапазоне от 250 ° C до 340 ° C и обеспечивают идеальную производительность, когда требуется сложная конструкция с большим источником тепла и требуется большая мощность. Это может быть достигнуто с помощью проточной воды и прямого контакта дров с горячей стороной. Нет барьеров из стали или чугуна, поскольку эти материалы создают большое сопротивление тепловому потоку.

    1. Модуль ТЭГ на базе CMO необходим, когда у вас есть источники тепла выше среднего.Примерами являются инсинераторы и факельный газ с буровых площадок или выпускных коллекторов непосредственно от газового двигателя легкового или грузового автомобиля. Каскадный или оксидный термоэлектрический модуль CMO использует преимущества этих источников тепла и способен выдерживать такие сверхвысокие температуры, когда другие модули могут быстро выйти из строя.

    1. Зарядное устройство Smart MPPT Для питания системы ТЭГ требуется метод регулирования. В идеале наивысший КПД термоэлектрического генератора ТЭГ — это когда сопротивление массива модулей меньше или равно сопротивлению нагрузки.Нагрузкой является либо аккумуляторная батарея, либо двигатели, фонари и т. Д. Это критично для максимальной выработки энергии. Без этого интеллектуального контроллера / зарядного устройства практически невозможно добиться максимальной эффективности от генератора ТЭГ. Также очень важно разработать наименьшее количество модулей, соединенных последовательно, чтобы снизить сопротивление Ом до минимума.

  1. Состояние батареи Если батареи, которые вы используете, старые, не могут принимать заряд и имеют высокое сопротивление, не имеет значения, насколько хорошо работает ваша система TEG, вы не сможете полностью зарядить батареи.Очень важно поддерживать ваши батареи, чтобы они работали наилучшим образом. Системы ТЭГ идеально подходят для продления срока службы батарей, поскольку они постоянно заряжаются, а срок службы батарей увеличивается на 20–30%. Постоянная зарядка аккумулятора продлевает срок службы. В отличие от солнечной, которая заряжает батареи только на короткий период времени. Батареи разряжены, и их необходимо перезарядить. Этот процесс подъема и опускания сокращает срок службы батарей. Уменьшение циклов понижения напряжения снижает накопление сульфата в батарее, продлевая срок ее службы.

IRJET-Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте

IRJET приглашает статьи из различных инженерных и технологических дисциплин, для выпуска 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8 Issue 10, Октябрь 2021 Публикация в процессе …

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своего Система контроля качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 10 (октябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 10, октябрь 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Документы


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


Термоэлектричество с использованием полупроводниковых термопар

Электрогенераторы с термопарами

Когда какой-либо электрический проводник подвергается тепловому градиенту, нагревая один конец при поддержании низкой температуры другого конца, он будет генерировать напряжение между горячим и холодным концом.Это известно как эффект Томсона и используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Термопары

Явление термоэлектричества было впервые обнаружено в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком, который заметил, что когда петля была сделана из проводов с использованием двух разнородных металлов, между стыками проводов возникало напряжение, если один стык был горячее другого. .Такая петля, сделанная из разнородных металлов, стала известна как термопара, а в его честь это явление было названо эффектом Зеебека. Напряжение, создаваемое термопарой, очень мало, и для создания практического термоэлектрического генератора требуется множество термопар.

Полупроводниковые термопары

Более века термопары изготавливались из металлических проводников, и, хотя исследовалось множество различных металлов, эффективность редко превышала 3%.С появлением полупроводников эффективность термоэлектрических генераторов была значительно увеличена, и к 1950-м годам эффективность генераторов достигла 5%, и было достигнуто охлаждение Пельтье от температуры окружающей среды до температуры ниже 0 ° C.

См. Раздел «Полупроводники» для объяснения того, как работают термопары.

Характеристики термопары

Коэффициент Зеебека

Кельвин показал, что при небольшой разнице температур напряжение, возникающее между горячим и холодным концом одного проводящего стержня, пропорционально разнице температур между двумя концами.Константа пропорциональности S теперь известна как коэффициент Зеебека и определяется как:

S = Δ V / Δ T

, где Δ T — разность температур между двумя концами материала, а Δ V — генерируемое термоэлектрическое напряжение. Таким образом, генерируемое напряжение определяется по формуле:

Δ V = S * Δ T

Таким образом, это мера величины индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в материале.

Для большинства проводников создаваемое напряжение крошечное, всего несколько микровольт на градус разницы температур. Для полупроводниковых материалов коэффициент может составлять от 100 мкВ / ° К до 300 мкВ / ° К, в любом случае все еще очень маленький. Это происходит главным образом потому, что кинетическая энергия носителей заряда в полупроводниках сильно зависит от температуры, тогда как в металлах она не так сильно зависит от температуры.

В более общем смысле коэффициент Зеебека является нелинейным и зависит от материала проводника, его молекулярной структуры и абсолютной температуры.Зеебекское напряжение не зависит от распределения температуры по проводнику, а только от разницы температур между концами. Коэффициент Зеебека часто неправильно называют термоэлектрической мощностью или термоЭДС (это напряжение, а не мощность).

Термоэлектрические материалы

Идеальные термоэлектрические материалы должны обладать следующими свойствами:

  • Высокий коэффициент Зеебека S — для получения максимального выходного напряжения на градус разницы температур.
  • Высокая электропроводность σ — для минимизации джоулева нагрева
  • Низкая теплопроводность λ — для ограничения распространения тепла через устройство для поддержания большого температурного градиента.

В целях сравнения полезность термоэлектрических материалов для производства электроэнергии, а также для нагрева и охлаждения может быть охарактеризована с использованием показателя качества, учитывающего эти свойства.

Показатель качества Z термоэлектрического материала является мерой его эффективности в качестве компонента преобразования энергии и определяется как:

Z = σS 2

λ

Материалы с высокими термоэлектрическими показателями качества обычно представляют собой сильно легированные полупроводники, и в течение многих лет лучшие материалы имели добротность около 1.Последние достижения в области материаловедения увеличили это число примерно до 4.

Выходное напряжение термопары

На практике, чтобы отвести полезный ток от концов проводящего стержня, требуется подключение проводов к конечным точкам, по существу, образуя второй проводник, параллельный между источником тепла и радиатором. Таким образом, напряжение, генерируемое в проводах, будет противодействовать напряжению, генерируемому на стержне, а генерируемое чистое напряжение будет разницей между напряжениями, генерируемыми на стержне и на проводах.Схема, состоящая из двух разнородных металлов, образует термопару.

Термоэлектрическое напряжение, генерируемое в одном проводе, уже очень мало. Соединение проводов поперек проводника для извлечения электрической энергии вносит в цепь противоположное напряжение, так что полезное полезное напряжение становится еще меньше.

На приведенной ниже диаграмме показано напряжение, развиваемое термопарой.

Разница напряжений В , возникающая на выводах разомкнутой цепи из пары разнородных металлов, A и B , два контакта которых поддерживаются при разных температурах, зависит от разницы температур между горячие и холодные спаи, (Th — Tc) .

Поскольку оба проводника подвержены одинаковой разнице температур, генерируемое сетевое напряжение будет разницей между напряжением, генерируемым на каждом проводе.

Таким образом, полученное сетевое напряжение определяется по формуле:

V = ∫ Tc Th (S b (T) — S a (T)) dT

, где S a и S b — коэффициенты Зеебека для металлов A и B и T h и T c — температуры горячих и холодные спаи.

Для небольших перепадов температур коэффициенты Зеебека фактически постоянны во всем температурном диапазоне, и приведенная выше формула может быть аппроксимирована следующим образом:

V = (S b — S a ) x (T h — T c )

Это физическая основа термопары, которая часто используется для измерения температуры и в особых случаях для выработки электроэнергии.См. Практические устройства ниже

Термоэлектрический КПД

Эффективность термопары зависит от фундаментальных свойств термоэлектрических материалов, используемых в ее конструкции, и единственный способ улучшить ее — это разработать новые материалы с более высокой добротностью. Несмотря на 180 лет экспериментов с множеством различных материалов, типичная эффективность термоэлектрического преобразования все еще составляет всего около 3%, а эффективность выше 10% так и не была достигнута.Наилучший КПД, достигнутый на сегодняшний день в космических аппаратах, составляет от 7% до 8%, что аналогично солнечным элементам из аморфного кремния (Si), но уступает 24%, достигнутым солнечными элементами с использованием экзотических материалов.

Есть гораздо более эффективные способы превращения тепла в электричество, чем с помощью термоэлектрических устройств.

Практические термоэлектрические устройства

Поскольку эффективность преобразования очень низкая, применение термопар ограничивается в основном устройствами с низким энергопотреблением.Стоимость также очень высока, что еще больше ограничивает их потенциальное использование.

Более высокая электрическая мощность может быть достигнута в приложениях Seebeck за счет использования большего количества тепла за счет увеличения разницы температур между горячей и холодной поверхностями. Ограничивающими факторами здесь являются термическая и химическая стабильность термоэлектрического материала при высоких температурах и способность отводить избыточное тепло с холодной поверхности.

Аналогичным образом охлаждающая способность устройств Пельтье может быть улучшена за счет использования более высоких токов, но применяются те же ограничивающие факторы, за исключением того, что в этом случае необходимо отводить избыточное тепло с горячей поверхности.

  • Приложения с низким энергопотреблением
  • Типичными применениями термопар, использующих эффект Зеебека, являются измерение температуры, измерение тепла и обнаружение излучения в болометрах.Термоэлектрические батареи, питаемые от тепла тела, также используются в портативных устройствах медицинского мониторинга.

  • Термобатарея
  • Поскольку энергия, доступная от одной термопары, очень мала, необходимо использовать массивы термопар для создания термоэлектрических устройств, способных передавать практическое количество энергии. Устройства более высокой мощности могут быть изготовлены путем последовательного соединения термопар для увеличения допустимого напряжения и параллельного подключения для увеличения допустимого тока.Такой набор термопар называется термобатареей.

    Термобатарея

    Термоэлектрические генераторы могут использоваться во многом так же, как фотоэлектрические устройства, и могут использоваться те же электрические вспомогательные цепи. Например, более высокое выходное напряжение может быть достигнуто за счет использования массива для управления преобразователем постоянного / постоянного тока.

    • Термобатареи с эффектом Пельтье по сути являются тепловыми насосами, которые перекачивают тепло от одной стороны устройства к другой.Они используются для обеспечения термоэлектрического охлаждения, однако эффективность устройств с эффектом Пельтье обычно составляет от 5% до 10%, что намного меньше, чем 40% -50%, достижимые с помощью компрессорных холодильных агрегатов, что ограничивает их использование небольшими портативными холодильниками и охлаждающими пластинами.
    • Термобатареи с эффектом Зеебека используются для преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах (ТЭГ) с выходной электрической мощностью 1000 Вт или более.
    • ТЭГ использовались в течение некоторого времени в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для обеспечения переносной энергии в космических аппаратах, использующих тепло от распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний 238. См. Ядерные батареи.

      Совсем недавно изучается возможность использования матриц термопар в автомобильных приложениях для рекуперации отработанного тепла выхлопных газов двигателей.При температуре выхлопных газов 250 ° C и температуре охлаждающей жидкости 50 ° C была достигнута выходная мощность более 300 Вт, но она падает до 150 Вт при повышении температуры охлаждающей жидкости до 90 ° C

См.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.