Jak přeměnit teplo na elektřinu?

Podle světových statistik tvoří TPP přes 60 % z celkového množství vyrobené elektřiny. Jak víte, pro provoz tepelných elektráren je potřeba organické palivo, jehož zásoby nejsou nekonečné. Kromě toho základní technický proces není šetrný k životnímu prostředí. Ale nízké náklady na organické palivo a vysoká účinnost tepelných elektráren umožňují získat „levnou“ elektřinu, což ospravedlňuje použití této technologie. Cestou z této situace jsou alternativní zdroje energie, mezi ně patří termoelektrické generátory (dále jen TEG), o nich bude řeč v tomto článku.

Co je termoelektrický generátor?

Je tedy zvykem nazývat zařízení, které umožňuje přeměnit tepelnou energii na elektrickou energii. Mělo by být objasněno, že termín „teplo“ není zcela přesný, protože teplo je způsob přenosu, nikoli samostatný druh energie. Tato definice se týká celkové kinetické energie molekul, atomů a dalších strukturních prvků, které tvoří látku.

Navzdory skutečnosti, že TPP spaluje palivo k výrobě elektřiny, nelze jej klasifikovat jako TEG. Na takových stanicích se nejprve tepelná energie přemění na energii kinetickou a ta se již přemění na energii elektrickou. To znamená, že palivo se spaluje za vzniku páry z vody, která roztáčí turbínu elektrického generátoru.

Schéma provozu TPP

Na základě výše uvedeného by mělo být vyjasněno, že TEG by měl vyrábět elektřinu bez mezikonverzí.

Princip činnosti

TEG je založen na termoelektrickém jevu popsaném na počátku 20. let XNUMX. století německým fyzikem Thomasem Johannem Seebeckem. Objevil vzhled EMF v okruhu uzavřeného typu sestávajícího z vodiče a antimonu za předpokladu, že v místech, kde jsou tyto materiály v kontaktu, vzniká teplotní rozdíl. Obrázek zařízení, kterým byl tento efekt zaznamenán, je uveden níže.

Termočlánek ze Seebeckova experimentu

Označení:

• 1 – měděný vodič.
• 2 – antimonový vodič.
• 3 – střelka kompasu.
• A a B jsou body kontaktu mezi dvěma vodiči.

Když byl jeden z kontaktů zahřátý, šipka se odchýlila, což indikovalo přítomnost magnetického pole způsobeného EMF. Když je druhý kontakt zahřátý, směr EMF se změní na opačný. V souladu s tím, když je obvod přerušen, je možné opravit potenciálový rozdíl na jeho koncích.

12 let poté, co Seebeck zveřejnil výsledky svých experimentů, francouzský fyzik Jean Peltier objevil opačný efekt. Prochází-li obvodem termočlánku proud, vzniká v místech styku těchto látek teplotní rozdíl. Popis Peltierových zážitků, stejně jako údaje o stejnojmenných moderních prvcích, poskytovat nebudeme, tyto informace najdete na našem webu.

Ve skutečnosti jsou oba tyto efekty opačnými stranami stejného termoelektrického jevu, který umožňuje přímo přijímat elektřinu z tepelné energie. Ale před objevem polovodičů nenašel termoelektrický jev praktické uplatnění kvůli nepřijatelně nízké účinnosti. Zvýšit ji na 5 % se podařilo až v polovině minulého století. Bohužel i u moderních polovodičových prvků zůstává toto číslo na úrovni 8% -12%, což nám neumožňuje považovat generátory tohoto typu za vážné konkurenty tepelných elektráren.

Moderní Peltierův prvek s rozměry

Vyhlídky

V současné době probíhají experimenty na výběr optimálních termočlánků, které zvýší účinnost. Problém je v tom, že je obtížné poskytnout teoretický základ pro tyto studie, takže se musíte spolehnout pouze na výsledky experimentů. Vzhledem k tomu, že účinek je ovlivněn procentem a složením slitiny materiálu pro termočlánky, mluvit o bezprostředních vyhlídkách je nevděčný úkol.

Je vysoce pravděpodobné, že v blízké budoucnosti vývojáři za účelem zvýšení kvalitativního faktoru termočlánků přejdou na jinou úroveň výroby slitiny pro termočlánky pomocí nanotechnologií, kvantizačních vrtů atd.

Je možné, že bude vyvinut zcela jiný princip s použitím netradičních materiálů. Příkladem jsou experimenty provedené na Kalifornské univerzitě, kde byla uměle syntetizovaná molekula nahrazena termočlánkem, který spojoval dva zlaté mikrovodiče.

Molekula místo termočlánku

První experimenty ukázaly možnost realizace nápadu, jak perspektivní je, ukáže čas.

Rozsah použití a typy termoelektrických generátorů

Vzhledem k nízkému faktoru účinnosti pro TEG existují dvě možnosti použití:

1. Místa, kde nejsou dostupné jiné zdroje elektřiny.
2. V procesech, kde je přebytečné teplo.

Zde je několik příkladů takových zařízení.

Energetické pece

Data, zařízení, která kombinují následující funkce:

• Varná deska.
• ohřívač.
• Zdroj elektřiny.

Toto je skvělý příklad, který kombinuje všechny obě aplikace.

Indigirka – tři v jednom

Energetická pec zobrazená na obrázku má následující parametry:

• Hmotnost – o něco více než 50 kilogramů (bez paliva).
• Rozměry: 65x43x54 cm (s rozebraným komínem).
• Optimální naložení organického paliva je 30 litrů. Je povoleno používat tvrdé dřevo, rašelinu, vrtání (ne uhlí!) Uhlí.
• Průměrný tepelný výkon zařízení je cca 4,5 kW.
• Elektrická zátěž od 45-50 wattů.
• Stabilizované konstantní napětí na výstupu – 12V.

Jak vidíte, tyto parametry jsou docela přijatelné pro podmínky, kde není elektřina, topení a plyn. Pokud jde o malý elektrický výkon, zcela postačí k nabíjení mobilních zařízení nebo napájení jiných gadgetů prostřednictvím adaptéru z autozapalovače.

Radioizotopové TEG

Tepelná energie uvolněná při rozpadu nestabilních prvků může fungovat jako zdroj tepla pro TEG. Takové zdroje se nazývají radioizotopy. Jejich hlavní výhodou je, že nevyžadují neustálé přikládání paliva. Nevýhodou je nutnost instalace ochrany proti ionizujícímu záření, nemožnost doplňování paliva a nutnost likvidace.

Životnost takových zdrojů přímo závisí na poločasu rozpadu látky používané jako palivo. Ten má následující požadavky:

• Vysoký koeficient objemové aktivity, tj. malé množství látky, by mělo zajistit požadovanou úroveň uvolňování energie.
• Udržení požadované úrovně výkonu po dlouhou dobu. Na tento parametr odpovídá, jak je uvedeno výše, poločas rozpadu, například stroncium-90 má 29 let, proto po této době ztratí zdroj polovinu výkonu.
• Ionizující záření by mělo být vhodné pro využití, to znamená, že by v něm měly převládat α-částice.
• Požadovaná úroveň zabezpečení. To znamená, že ionizující záření by nemělo poškozovat životní prostředí (v případě provozu na zemi) a zařízení napájené takovým zdrojem.

Taková kritéria splňují izotopy kuria-244, plutonia-238 a výše zmíněného stroncia-90.

Rozsah RITEG

Navzdory vážným požadavkům na takové zdroje je jejich rozsah poměrně různorodý, používají se jak ve vesmíru, tak na Zemi. Níže uvedená fotografie ukazuje RITEG, který pracoval na kosmické lodi Cassini. Jako palivo byl použit izotop plutonia-238. Poločas rozpadu tohoto prvku je něco málo přes 87 let. Na konci 20leté mise vyrobil zdroj 650 wattů elektřiny.

Radioizotopové “srdce” Cassini

Cassini byla uvedena jako příklad a vzhledem k masovému charakteru lze konstatovat, že prakticky všechny kosmické lodě používají k napájení zařízení RITEG. Bohužel charakteristiky radioizotopových energetických zdrojů kosmických lodí nejsou obecně zveřejňovány.

Na zemi je situace přibližně stejná. Technologie RITEG je jakoby známá, ale její detaily jsou utajované informace. Je spolehlivě známo, že taková zařízení se používají jako zdroj energie pro navigační zařízení v oblastech, kde z technických důvodů není možné získat elektřinu jiným způsobem. To znamená, že mluvíme o těžko dostupných regionech.

Bohužel takové zdroje nejsou z hlediska životního prostředí nejvhodnější alternativou tepelných elektráren.

RITEG vyzdvižen ze 14metrové hloubky poblíž Sachalinu

Jak vyrobit termoelektrický generátor vlastníma rukama?

Na závěr vám prozradíme, jak vyrobit TEG, který lze použít na kempování, lovu nebo rybaření. Výkon takových zařízení bude přirozeně nižší než generátory radioizotopové energie, ale kvůli nedostupnosti plutonia a jeho nepříjemné vlastnosti poškozovat lidské tělo se budeme muset spokojit s málem.

Budeme potřebovat termoelektrický článek, např. TEC1 12710. Pro zvýšení výkonu je vhodné použít několik paralelně zapojených prvků. Bohužel je zde velmi vážná nuance, budete muset vybrat prvky s podobnými parametry, což je pro čínské výrobky prakticky nemožné a použití značkového je drahé, je snazší koupit hotový generátor. Pokud používáte jeden modul Pelte, pak jeho výkon sotva stačí na nabití telefonu nebo jiného gadgetu. Dále budeme potřebovat kovové pouzdro, např. použitý PC zdroj a chladič od procesoru.

Přednosti montáže:

Teplovodivou pastu naneseme na korpus v místě, kde bude připevněn termoelektrický článek, opřeme o něj a zafixujeme radiátorem. V důsledku toho získáme design, jako na obrázku níže.

Jako palivo je nejlepší použít “suchý alkohol”.

Nyní je potřeba k našemu zdroji připojit regulátor napětí (obvod najdete na našem webu nebo v jiných tematických zdrojích).

Dokonce i jaderné elektrárny vyrábějí elektřinu prostřednictvím parních turbín. To znamená, že jsme si podmanili energii atomu, ale donutili jsme jej k varu vody, čímž jsme ztratili nejméně 55 % energie. Ale zdá se, že lidstvo je konečně připraveno udělat velký krok vpřed a efektivně přeměnit tepelnou energii na elektrickou energii bez zprostředkování páry.

Na planetě Zemi se tedy plánuje technologický průlom: bylo vyvinuto nové termoelektrické zařízení využívající nanopilíře nitridu galia na křemíkovém substrátu, což výrazně zvyšuje účinnost přeměny tepla na elektřinu. Byl vyroben týmem vědců z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a University of Colorado v Boulderu.

I pouhé použití nového vývoje k zachycení plýtvané tepelné energie by jen v USA ušetřilo ročně asi 100 miliard dolarů. A v celosvětovém měřítku – stovky miliard.

Husajnův efekt

Neobvyklého chování křemíku v termoelektrickém páru s nitridem galia si jako první všiml teoretik Mahmoud Hussein z University of Colorado. Kontaktoval NIST’s Applied Physics Division, kterou vede výzkumník Chris Burtness. Kombinovaná skupina studovala úžasný efekt a dokázala pochopit princip, kterým se projevuje.

Technologie, která se nakonec vyvinula, zahrnuje ukládání stovek tisíc mikroskopických sloupců nitridu galia na křemíkový plátek. Interakce mezi pilíři a substrátem zpomaluje přenos tepla v křemíku, což mu umožňuje udržovat teplotní rozdíl a umožňuje tok většího elektrického proudu. Vypadá to nejasně? Pojďme si to vysvětlit.

Jak to funguje

Nový vývoj je založen na jevu, který objevil německý fyzik Thomas Seebeck v roce 1822. Seebeckův efekt spočívá v tom, že v uzavřeném okruhu sestaveném ze dvou různých materiálů – v jeho prvním experimentu to byly vizmut a antimon – také vzniká potenciální rozdíl při kontaktu materiálů při rozdílu teplot.

Teoreticky to poskytuje ideální příležitost pro přeměnu tepelné energie na elektrickou energii. Ale bohužel je tu jedna nuance.

Pro získání velkého množství energie ze Seebeckova jevu musí alespoň jeden z dvojice materiálů špatně vést teplo. Jinak nebude teplotní rozdíl zachován. Zároveň musí materiál také dobře vést elektrický proud.

U většiny látek však jdou tepelná vodivost a elektrická vodivost ruku v ruce; špatný vodič tepla se stává špatným vodičem elektřiny a naopak. Výsledkem bylo, že termoelektrické prvky na bázi polovodičů měly dosud v nejlepším případě účinnost 1.5−2 %.

Když jsou fonony mimo fázi

Co udělal NIST: pěstováním nanopilířů nitridu galia na křemíkové membráně vědci snížili tepelnou vodivost křemíku o 21 %, aniž by snížili elektrickou vodivost. Jak?

U pevných látek je tepelná energie přenášena fonony – periodickými vibracemi atomů v krystalové mřížce. Takže fonony v křemíkové membráně jsou částečně mimo fázi s fonony v nanopilírech nitridu galia. Díky tomu vibrace v křemíku odezní a ten se ochladí.

Rychlost pohybu elektronů přitom zůstává vysoká, takže máme výborný termoelektrický prvek.

Samostatně poznamenáváme, že nejde jen o novou technologii, jde o objev v celosvětovém měřítku – u žádného materiálu nebylo nikdy pozorováno takové snížení tepelné vodivosti bez zhoršení schopnosti vést elektřinu.

Jakmile se zlepší výrobní metoda, lze takové termočlánky použít minimálně k přeměně tepelných emisí na elektřinu – včetně elektráren. Na druhou stranu by se technologie měla hodit i pro chlazení – například počítačů.

Zajímavé je, že v zásadě se v elektronice již používá kombinace nitrid gallia a křemíku. I když relativně nedávno. Z těchto materiálů jsou vyrobeny tranzistory, a to i pro vysílací stanice mobilní komunikace. Včetně Ruska. Koncept výroby elektřiny z hromady těchto materiálů je však nová a slibná myšlenka.