Как преобразовать тепловую энергию в электрическую

Как мы превращали тепло в электричество (особенности применения термогенераторов)

Вопросы получения бесплатной энергии не давали покоя человеку еще с незапамятных времен, а после череды промышленных революций, когда энергия по своей значимости стала эквивалентна воде и продуктам питания, актуальность этого вопроса лишь возросла. Но если вечный двигатель, как утверждают физики, сконструировать невозможно, то извлечь энергию из окружающей среды вполне реально не только теоретически, но и практически.

На сегодняшний день существует ряд проектов, позволяющих преобразовать в электричество свет, звук, вибрацию, трение, температуру, колебания температуры, электромагнитные волны, а также ряд других низкопотенциальных энергетических источников. К сожалению, эти решения имеют два ключевых недостатка: энергии они дают мало, и она дорогая. Если посчитать стоимость киловатт-часа, полученного с помощью этих систем, а большинство из них такое количество энергии не сгенерирует даже за весь срок своей службы, то она выйдет в лучшем случае на порядок дороже, чем самое дорогое электричество, получаемое из традиционных источников. Это значит, что системы сбора энергии окружающей среды (Energy Harvesters) пока еще остаются всего лишь забавой для небольшого количества фанатов этого направления, либо не понимающих до конца сути законов природы, либо имеющих много свободного времени и средств для подобных экспериментов.

Только время не стоит на месте, и двадцать первый век уже подарил множество новых направлений в радиоэлектронике, анализируя которые можно выделить две устойчивые тенденции. Во-первых, если есть хоть малейшая техническая возможность, то устройства стараются делать беспроводными. Во-вторых, энергопотребление современных приборов, даже передающих информацию с помощью «прожорливых» радиоинтерфейсов, катастрофически уменьшается. Уже сейчас большинство беспроводных датчиков для охранных систем, работающих в реальном времени, способно проработать без замены батареи не меньше года, а компании, наиболее продвинутые в этом направлении, например, Ajax Systems [1], утверждают, что их оборудование может до семи лет работать от единственного химического источника тока. И это далеко не предел, ведь в правильно спроектированном устройстве количества энергии в современных литиевых батареях может хватить на 15 лет непрерывной работы [2].

Однако у традиционных химических источников тока есть множество недостатков, главным из которых является ограниченная (или конечная) емкость – рано или поздно полезные химические процессы в источнике прекратятся, и его придется менять. Да и забрать от него расчетное количество энергии не всегда получается. Так, например, при проектировании оборудования, рассчитанного на работу от литиевых батареек, необходимо учитывать эффект пассивации электродов, иначе оно начнет сбоить уже через несколько лет работы [2]. А если произойдет нарушение условий эксплуатации химического элемента, и он подвергнется воздействию аномально высоких или низких значений температур или влажности, то предвидеть дальнейшее поведение системы будет уже крайне сложно.

Только к чему поднимать из-за этого панику, ведь все неприятности в конечном итоге сводятся к простой замене батареек, которые никогда не были особо дорогими? Однако практика показывает, что там, где нет возможности установить электрическую розетку, чаще всего не так просто добраться и до батарейки. Например, компоненты систем мониторинга окружающей среды – датчики температуры, давления, влажности, концентрации углекислого газа и прочих вредных веществ – могут устанавливаться далеко не в самых легкодоступных местах, например, на крышах зданий или верхушках дымовых труб. Это же справедливо и для элементов систем безопасности – датчиков дыма, вибрации, движения, присутствия или открытия двери, например, чердачного люка. Еще сложнее ситуация с измерителями смещения различных инженерных конструкций, например, стен зданий или опор мостов, куда, скорее всего, придется добираться на спецтехнике, например, на моторных лодках. Вот и получается, что в подобных системах стоимость замены батарейки может намного превышать стоимость самой батарейки. Да и в относительно простых, но масштабных, системах для замены, например, 1000 батареек в 1000 датчиков уже необходим небольшой коллектив специально обученных людей под началом главного бухгалтера, которые только и будут этим заниматься. А если добавить сюда еще и экологическую небезопасность всех химических источников тока, то станет понятно, что системы сбора энергии зря подверглись незаслуженному забвению и порицанию.

В этой статье описан опыт изготовления системы сбора энергии окружающей среды на основе термогенератора, превращающего в электричество перепады температур. Источником вдохновения для этой работы послужил проект теплового резонатора (Рисунок 1), созданного командой ученых и студентов из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) [3]. Прочитав о достижениях этого коллектива, было решено, что ученые и студенты Одесской национальной академии связи им. А.С. Попова тоже могут внести посильный вклад в изучение этого процесса, а магистерская выпускная работа Кирилла Ильченко – соавтора этой статьи – может стать хорошим предлогом для этого исследования.

Рисунок 1.	Метеостанция с тепловым резонатором, разработанная коллективом из MIT [3].

Первоначально было решено исследовать классический термогенератор на основе элемента Зеебека, позволяющий превратить в электричество перепады температур. Такое решение было принято по двум причинам. Во-первых, на повторение теплового резонатора могло потребоваться достаточно большое количество времени, которого было не так много, а, во-вторых, все-таки информации о подобных системах, а особенно об их практическом применении, крайне мало, а эти пробелы надо восполнить.

Первым удивлением при выборе термогенератора стало практически полное отсутствие в широкой продаже элементов Зеебека. Поисковые системы по данному запросу выдавали только один результат – модуль SP1848-27145 с размерами 40 мм × 40 мм × 4 мм, выходным напряжением 4.8 B и максимальной мощностью 3.21 Вт, достигаемой при разности температур между горячей и холодной стороной 100 °C (Таблица 1). Очевидно, что для системы сбора энергии найти среду с подобной разностью температур практически нереально, но даже при 20 °C, выходная мощность модуля SP1848-27145 (0.22 Вт) намного превышает среднюю потребляемую мощность многих беспроводных датчиков. Например, этой мощности вполне достаточно для питания беспроводного инфракрасного датчика присутствия, реализованного компанией Texas Instruments в проекте TIDA-00489 [4], с током потребления в дежурном режиме всего 1.65 мкА при напряжении питания 3 В.

Тем не менее, приобрести единственный широко известный модуль Зеебека, к сожалению, нам не удалось. Большинство поставщиков, к которым мы обращались, даже несмотря на то, что на их сайтах указано, что эти элементы есть в наличии, по факту могли продать их только под заказ (то есть, их «не возят, потому что никто не берет»). А некоторые в качестве «почти равноценной» замены вместо модулей Зеебека предлагали модули Пельтье аналогичного размера, мотивируя обратимостью этих эффектов, а также тем, что последние будут намного «мощнее».

Действительно, эффект Зеебека (возникновение ЭДС при наличии разности температур) является обратным эффекту Пельтье (возникновению разности температур при протекании электрического тока), однако к самим элементам это не относится, поскольку модули Зеебека и модули Пельтье при одинаковой конструкции имеют разное практическое назначение.

Элементы Пельтье предназначены для перемещения тепла; они применяются в различных системах терморегулирования, например, в системах охлаждения, поэтому их внутреннее сопротивление невелико, а мощность может достигать сотен ватт. Судя по наличию выбора и доступности, элементы Пельтье весьма востребованы на рынке, в то время как элементы Зеебека, имеющие гораздо меньшую мощность и высокое внутреннее сопротивление, пока никому не нужны. Тем не менее, в системах сбора энергии при прочих равных условиях именно элементы Зеебека должны дать большее напряжение, а значит – эту энергию будет проще собрать и передать в нагрузку.

Рисунок 2.	Модуль Пельтье TEC1-12706.

К сожалению, по разным причинам проверить это на практике не удалось (зато есть задача на будущее). Вместо элемента Зеебека был приобретен элемент Пельтье TEC1-12706 (Рисунок 2) с аналогичными размерами 40 мм × 40 мм × 4 мм, но достаточно сильно отличающимися электрическими характеристиками (Таблица 2).

Главным огорчением от использования этого модуля стало почти в пять раз меньшее выходное напряжение, которое при разности температур 10 °С составило всего 0.2 В (Таблица 3). Здесь нужно сразу уточнить, что никто изначально не ставил целью эксплуатацию системы сбора энергии в каких-то экстремальных условиях, то есть никто не собирался один бок элемента Пельтье жарить на медленном огне какого-нибудь газового котла, а второй засовывать в морозильную камеру. Основным вопросом было: можно ли в реальных условиях окружающей среды (на улице или в помещении) с помощью данного элемента извлечь энергию в количестве, достаточном для практического применения, например, для питания устройств, описанных в [1] или [4]. То есть, 10 °С – это максимальная разность температур, которая может оказаться доступной в реальных помещениях или на улице.

Также изначально стало понятно, что без специализированного преобразователя напряжения не обойтись, поскольку даже в лучшем случае напряжение на выходе модуля Зеебека не превышало бы 1.0 В, что явно недостаточно для питания современного оборудования.

После анализа доступных специализированных микросхем было принято решение о выборе микросхемы LTC3108 производства Linear Technology, не так давно ставшей частью Analog Devices. Во-первых, эта микросхема специально разработана для таких задач, в ней интегрированы все необходимые узлы, и для ее работы необходим минимум внешний компонентов (Рисунок 3). Во-вторых, эта микросхема хорошо освещена в технической литературе. С момента появления ее на рынке (в конце 2010 года) уже вышло достаточно много публикаций, в том числе и в журнале РадиоЛоцман [5], где были подробно освещены все особенности ее работы. Кроме того, можно приобрести оценочную плату CJMCU-3108 с уже установленными внешними компонентами (Рисунок 4), что в рамках данной работы также является достаточно весомым аргументом.

Рисунок 3.

Структурная схема микросхемы LTC3108.

И здесь снова ждал неприятный сюрприз – у всех местных поставщиков электронных компонентов плату CJMCU-3108 можно было приобрести только под заказ, что означало, что кроме нас она, похоже, никому не нужна. Вторым неприятным сюрпризом, который из-за нашей невнимательности возник уже после распаковки платы, оказалось отсутствие на плате ключевого компонента – трансформатора Т1. С одной стороны, производителей платы CJMCU-3108 можно понять – они оставляют пользователям выбор, ведь теперь они могут поставить на плату элемент с коэффициентом трансформации 1:20, 1:50 или 1:100, в зависимости от конкретного приложения. С другой стороны, выбора особо нет, ведь количество производителей трансформаторов, которые можно установить на эту плату всего два: Coilcraft (LPR6235) и Würth Elektronik (74488540ххх), а стоимость такого трансформатора из-за его ультракомпактности в два раза больше стоимости платы. Все это создает ощущение некоторого лукавства со стороны производителей платы CJMCU-3108, хотя доказательств этому у нас, конечно же, нет, ведь все делается только с благими намерениями. К тому же, если большинство местных поставщиков электроники про плату CJMCU-3108 хотя бы слышали, то трансформаторы LPR6235 и 74488540ххх для них оказались полной неожиданностью.

Рисунок 4.	Оценочная плата CJMCU-3108.

В конечном итоге, плата CJMCU-3108 и трансформатор LPR6235-752SMR с коэффициентом трансформации 1:100 были благополучно заказаны и доставлены из Китая, а система смонтирована и протестирована (Рисунок 5). Тестирование проводилось классическим для подобных систем способом: термогенератор устанавливался между двух источников с разными температурами, к выходу системы сбора энергии в качестве нагрузки подключался переменный резистор. Выходные напряжение и ток контролировались соответствующими измерительными приборами, а температура – бесконтактным термометром (пирометром).

Результаты тестирования показали, что микросхема LTC3108 отлично справляется с поставленной задачей и поддерживает выходное напряжение выше 4 В при разности температур, начиная от нескольких градусов. Но это и не должно было стать большим открытием, ведь, согласно технической документации, минимальное напряжение на входе LTC3108 должно быть больше 20 мВ. В конечном итоге, подобная система должна обеспечить нагрузку напряжением в районе 3 В и выходной мощностью хотя бы 0.5 мВт. Как видно из результатов тестирования (Таблица 4), это происходит при разности температур, начиная от 30 °C. При меньшем температурном напоре в системе необходимо установливать накопитель энергии – аккумулятор или ионистор, поскольку 260 мкВт (при 20 °С) хватит для поддержания работы беспроводных датчиков в спящем режиме, но при переходе нагрузки в активный режим с передачей данных по радиоинтерфейсу этой мощности, скорее всего, будет недостаточно.

Гораздо более интересным вопросом является, где взять необходимый тепловой напор? Первым экспериментом стала установка термогенератора на радиатор отопления (Рисунок 6). При такой конфигурации система, где в качестве нагрузки и индикатора использовался светодиод, работала около получаса, после чего генерация энергии останавливалась. Это было связано с перегревом радиатора на охлаждающей стороне, в качестве которого был использован стандартный радиатор для процессоров персональных компьютеров. Такой результат был вполне предсказуем, поскольку рассчитанный на принудительное охлаждение радиатор изначально должен плохо работать в условиях естественного обдува, да и его тепловое сопротивление было бы неплохо вначале рассчитать.

Рисунок 6.	Установка системы на радиаторе отопления.

Тем не менее, несмотря на явный крах этого явно непродуманного до конца эксперимента, у подобного способа применения есть реальные практические перспективы, ведь при нормальном охлаждении внешней стороны термогенератора такая система может обеспечить энергией, например, терморегуляторы (термостаты) радиаторов отопления (Рисунок 7). Поскольку на сегодняшний день одним из главных направлений развития техники является интеллектуализация всего, то неудивительно, что современные терморегуляторы имеют программное управление и могут интегрироваться в систему «Умный дом». В конечном итоге, их использование, за счет внедрения гибких профилей температур и учета погоды, позволит уменьшить затраты на отопление, а это значит, что такие устройства очень скоро перестанут быть диковинкой, превратившись в объективную реальность.

Рисунок 7.	Радиаторный термостат с программным управлением.

В этом случае в ближайшем будущем вполне вероятно появление «умной радиаторной секции» с интегрированными терморегулятором и подсистемой питания на основе термопреобразователя Зеебека. Работать она будет только в отопительный сезон (а больше и не надо), настраиваться со смартфона через радиоинтерфейс (мощности питания хватит), и, самое главное, не будет требовать ни батареек, ни аккумуляторов. Сейчас терморегуляторы работают от батареек, которых хватает приблизительно на год, причем, когда система отопления останавливается, их тоже нужно выключать. И теперь представьте себе общее количество терморегуляторов (в идеале – по одному на каждый радиатор), например, в помещении бизнес-центра, требующее ежегодного обслуживания только из-за того, что они работают от батареек.

Еще одним источником перепада температур могут стать относительно прохладные конструкционные элементы зданий: стекла окон, металлические колонны, двери или балки, а также места, где присутствуют постоянные или периодические потоки воздуха (сквозняки). Именно в таком месте и был сделан следующий шаг по изучению возможностей системы. В этом эксперименте холодная сторона термогенератора была установлена на металлической колонне одного из складов почтового отделения Новой почты (одного из крупнейших операторов почтовой связи Украины), а радиатор второй стороны (все тот же – от процессора персонального компьютера) обдувался теплым воздухом сквозняка, постоянно возникающего в процессе работы из-за открытия дверей.

Результаты тестирования показали, что в процессе рабочего дня выходная мощность практически не опускалась ниже 800 мкВт (Рисунок 8). А это означает, что в этом месте можно смело устанавливать центр почти вечного питания одного, а может и нескольких беспроводных датчиков, например, контроля качества воздуха, обнаружения вредных веществ, пожарную или охранную сигнализацию или другие подобные устройства.

Рисунок 8.

Выходная мощность системы в течение рабочего дня.

Заключение

Общее количество денег, потраченное на эту систему, без учета сборки и доставки, составило около 30 долларов США, из них почти половина стоимости пришлась на долю трансформатора. Конечно, при серийном производстве и использовании не таких миниатюрных компонентов цена может уменьшиться в несколько раз, и тогда она станет соизмеримой со стоимостью качественных химических источников тока. Но основная экономическая выгода будет не от замены одного источника питания на другой, а от уменьшения затрат на обслуживание системы (замену батареек).

Очень нужны элементы Зеебека малой и сверхмалой мощности. Очевидно, что увеличение количества последовательно соединенных ячеек элементарных полупроводниковых термопреобразователей при одновременном уменьшении их размера приведет к увеличению выходного напряжения. А это значит что, вполне возможно, можно будет обойтись и более простыми контроллерами, чем LTC3108. Хотя вполне вероятно, что высокая цена этой микросхемы (около 7 долларов США) обусловлена не более чем низким спросом на нее. И, конечно же, использование ультраминиатюрных, ультраредких и ультрадорогих трансформаторов LPR6235 должно быть, как минимум, обосновано.

В целом, эксперимент можно считать удачным, а это направление – перспективным. Значит нужно переходить от академических экспериментов к практическим разработкам и осваивать эту новую, но очень нужную и востребованную ветвь альтернативной энергетики.

Без турбин и паровых котлов: как сделать из тепловой энергии электрическую

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа», — поясняет Арунава Майумдар из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Что такое термоэлектрический генератор?

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

• 1 – медный проводник.
• 2 – проводник из сурьмы.
• 3 – стрелка компаса.
• А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

• Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
• Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
• Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
• Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
• Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Преобразование тепловой энергии в электрическую с высоким КПД: способы и оборудование

Тепловая энергия занимает особое место в человеческой деятельности, поскольку она используется во всех секторах экономики, сопровождает большинство промышленных процессов и жизнедеятельность людей. В большинстве случаев отработанное тепло теряется безвозвратно и без какой-либо экономической выгоды. Этот потерянный ресурс уже ничего не стоит, поэтому повторное его использование будет способствовать как уменьшению энергетического кризиса, так и защите окружающей среды. Поэтому новые способы преобразования тепловой в электрическую энергию и конверсия отработанного тепла в электричество сегодня как никогда актуальны.

Виды генерации электроэнергии

Преобразование природных источников энергии в электричество, тепло или кинетическую энергию требует максимальной эффективности, особенно на газовых и угольных электростанциях, чтобы снизить объемы выбросов СО₂. Существуют различные способы преобразование тепловой энергии в электрическую, зависящие от типов первичной энергии.

Среди ресурсов энергии уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), а уран путем ядерного деления (ядерной энергии), чтобы использовать энергию пара для вращения паровой турбины. Десять крупнейших стран производителей электроэнергии на 2017 год представлены на фото.

Таблица эффективности работы существующих систем преобразование тепловой энергии в электрическую.

Выработка электроэнергии из тепловой энергии

Тепловые электростанции, ТЭЦ

Атомные станции, АЭС

Конденсационная электростанция, КЭС

Газотурбинная электростанция, ГТЭС

Термоэмиссионные преобразователи, ТЭП

МГД-генераторы электроэнергии совместно с ТЭЦ

Выбор метода преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребностей в энергоносителях, наличия природного топлива и достаточности площадки строительства. Вид генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию.

Проблемы традиционной электроэнергетики

Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭП, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует плюсы и минусы технологий генерации на природных энергетических ресурсах, рассматривая такие критические факторы, как строительство и затраты на электроэнергию, на землю, требования к воде, выбросы CO₂, отходы, доступность и гибкость.

Результаты EPRI подчеркивают, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии нет единого подхода к решению всех проблем, но при этом все же больше преимуществ у природного газа, который является доступным для строительства, имеет низкую себестоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.

Технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветровые турбины, солнечные фотоэлектрические модули производят эмиссионное электричество. Однако для них, как правило, требуется много земли, результаты их эффективности являются неустойчивыми и зависят от погоды. Уголь, основной источник тепла, является самым проблемным. Он лидирует по выбросам CO₂, требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.

Новые технологии направлены на снижение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины, объединенные с резервным аккумулятором, обеспечивают резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены за счет создания доступного крупномасштабного хранилища энергии. Таким образом, сегодня нет ни одного безупречного способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономически эффективную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.

Тепловые электростанции

На ТЭС пар высокого давления и температуры, полученный от нагрева воды при сжигании твердого топлива (главным образом угля), вращает турбину, подключенную к генератору. Таким образом он преобразует свою кинетическую энергию в электрическую. Рабочие компоненты тепловой электростанции:

1. Котел с газовой топкой.
2. Паровая турбина.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Охлаждающие башни.
6. Циркуляционный водяной насос.
7. Насос подачи воды в котел.
8. Принудительные вытяжные вентиляторы.
9. Сепараторы.

Типовая схема тепловой электростанции представлена ниже.

Паровой котел служит для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется путем нагрева воды в трубах с нагревом от сжигания топлива. Процессы горения непрерывно проводятся в камере сгорания топлива с подачей воздуха извне.

Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар с высоким давлением и температурой толкает лопатки турбины, установленных на валу, так, что он начинает вращаться. При этом параметры перегретого пара, поступающего в турбину, снижается до насыщенного состояния. Насыщенный пар попадает в конденсатор, а роторная мощность применяется для вращения генератора, вырабатывающего ток. Сегодня почти все паровые турбины представляют собой конденсаторный тип.

Конденсаторы — это устройства для преобразования пара в воду. Пар течет снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Такая конструкция называется поверхностным конденсатором. Скорость передачи тепла зависит от потока охлаждающей воды, площади поверхности труб и разности температур между водяным паром и охлаждающей водой. Процесс изменения водяного пара происходит при насыщенном давлении и температуре, в этом случае конденсатор находится под вакуумом, потому что температура охлаждающей воды равна внешней температуре, максимальная температура конденсата воды вблизи температуры наружного воздуха.

Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Генератор состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса, который содержит катушки, а магнитная полевая роторная станция состоит из сердечника, содержащего катушку.

По виду вырабатываемой энергии ТЭС делятся на конденсационные КЭС, которые производят электрическую энергию и теплоэлектроцентрали ТЭЦ, совместно выпускающие тепловую (пар и горячая вода) и электрическую энергию. Последние, имеют возможности преобразования тепловой энергии в электрическую с высоким КПД.

Атомные электростанции

АЭС используют тепло, выделяемое во время ядерного деления, для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, которые генерируют электричество. При делении атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию. Процесс протекает внутри реактора. В его центре находится ядро, в котором содержится уран 235. Топливо для АЭС получают из урана, имеющего в своем составе изотоп 235U (0,7%) и неделящегося 238U (99,3 %).

Ядерный топливный цикл представляет собой серию промышленных этапов, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран — относительно распространенный элемент, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и обрабатывается до использования в качестве топлива.

Виды деятельности, связанные с производством электроэнергии, в совокупности относятся к ядерному топливному циклу по преобразованию тепловой энергии в электрическую на АЭС. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается удалением ядерных отходов. При переработке использованного топлива в качестве опции для ядерной энергии, его этапы образуют настоящий цикл.

Уранплутониевый топливный цикл

Чтобы подготовить топливо для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащению и выпуску твэлов. Топливный цикл:

1. Выгорание урана 235.
2. Шлакование – 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
3. В процессе распада 235U расход его уменьшается, а из 238U при выработке э/энергии получаются изотопы.

Себестоимость твэлов для ВВР примерно 20 % себестоимости вырабатываемого электричества.

После того как уран проведет около трех лет в реакторе, используемое топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и рециркуляцию до удаления отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Тепло, выделяемое во время ядерного деления в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводя в действие генераторы, вырабатывающие электричество.

Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельной структуре на силовой установке, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или океана для охлаждения чистой воды паросилового контура. Затем охлажденную воду повторно используют для получения пара.

Доля выработки электроэнергии на АЭС, по отношению к общему балансу выработки их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире — на фото ниже.

Газотурбинная электростанция

Принцип работы газотурбинной электростанции аналогичен работе паротурбинной электростанции. Единственное различие заключается в том, что на паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной силовой установке — газ.

Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую в газотурбинной электростанции.

В газотурбинной электростанции воздух сжимают в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где образуется газовоздушная смесь, повышается температура сжатого воздуха. Эта смесь с высокой температурой и высоким давлением проходит через газовую турбину. В турбине она резко расширяется, получая кинетическую энергию достаточную для вращения турбины.

В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, создаваемая в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного поставщика вспомогательной энергии на гидроэлектростанции. Он генерирует вспомогательную мощность во время запуска гидроэлектростанции.

Преимущества и недостатки газотурбинной электростанции

Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На газотурбинной электростанции нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.

Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.

Недостатки газотурбинной электростанции:

1. Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
2. Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
3. Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
4. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
5. Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.

Термоэмиссионные преобразователи

Они также называются термоэлектронным генератором или термоэлектрическим двигателем, которые непосредственно преобразуют тепло в электричество, используя термоэмиссию. Тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию с очень высокой эффективностью через индуцированный температурой процесс электронного потока, известный как термоэлектронное излучение.

Основным принципом работы термоэлектронных преобразователей энергии является то, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме и затем конденсируются на более холодном аноде. После первой практической демонстрации в 1957 году термоэлектронные преобразователи энергии использовались с различными источниками тепла, но все они требуют работы при высоких температурах — выше 1500 К. В то время как работа термоэлектронных преобразователей энергии при относительно низкой температуре (700 К — 900 К) возможна, эффективность процесса, которая обычно составляет > 50%, значительно уменьшается, поскольку количество излучаемых электронов на единицу площади от катода зависит от температуры нагрева.

Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, число испускаемых электронов пропорционально квадрату температуры катода. Однако недавнее исследование демонстрирует, что температура тепла может быть снижена на порядок при использовании графена в качестве горячего катода. Полученные данные показывают, что катодный термоэлектронный преобразователь на основе графена, работающий при 900 К, может достичь КПД 45%.

Принципиальная схема процесса электронной термоэлектронной эмиссии представлена на фото.

TIC на основе графена, где Tc и Ta — температура катода и температура анода, соответственно. Основываясь на новом механизме термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, чтобы конвертер энергии катода на основе графена мог найти свое применение при повторном использовании тепла промышленных отходов, которое часто достигает температурного диапазона от 700 до 900 K.

Новая модель, представленная Ляном и Энгом, может принести пользу конструкции преобразователя энергии на основе графена. Твердотельные преобразователи энергии, которые в основном являются термоэлектрическими генераторами, обычно работают неэффективно в низкотемпературном диапазоне (с КПД менее 7%).

Термоэлектрические генераторы

Утилизация отходов энергии стала популярной целью для исследователей и ученых, которые придумывают инновационные методы для достижения этой цели. Одним из наиболее перспективных направлений является термоэлектрические устройства на основе нанотехнологий, которые выглядят, как новый подход к экономии энергии. Прямое преобразование тепла в электричество или электричество в тепло известно, как термоэлектричество, основанное на эффекте Пельтье. Если быть точным, эффект называется именем двух физиков — Жана Пельтье и Томаса Зеебека.

Пельтье обнаружил, что ток, посылаемый в два разных электрических проводника, которые соединены на двух переходах, приведет к нагреву одного соединения, в то время как другое соединение охладится. Пельтье продолжил исследования, установил, что каплю воды можно заставить замерзнуть на стыке висмута-сурьмы (BiSb), просто изменив ток. Пельтье также обнаружил, что электрический ток может протекать, когда имеет место разность температур размещается поперек соединения разных проводников.

Термоэлектричество является чрезвычайно интересным источником электроэнергии из-за его способности преобразовывать тепловой поток непосредственно в электричество. Он представляет собой преобразователи энергии, которые легко масштабируются и не имеют движущихся частей или жидкого топлива, что делает их применимыми практически в любой ситуации, когда большое количество тепла, как правило, направляется в отходы, от одежды до крупных промышленных объектов.

Наноструктуры, используемые в материалах полупроводниковых термоэлементах, помогут поддерживать хорошую электропроводность и уменьшить теплопроводность. Таким образом, производительность термоэлектрических устройств может быть увеличена за счет использования материалов на основе нанотехнологий, с применением эффекта Пельтье. Они обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами и хорошими поглощающими способность солнечной энергии.

1. Поставщики энергии и датчики в диапазонах.
2. Сжигающая масляная лампа, управляющая беспроводным приемником для удаленной связи.
3. Нанесение небольших электронных устройств, таких как MP3-плееры, цифровые часы, чипы GPS/GSM и импульсные счетчики с теплотой тела.
4. Быстро охлаждающие сиденья в роскошных автомобилях.
5. Уборка отработанного тепла в автомобилях путем преобразования его в электричество.
6. Преобразование отработанного тепла на заводах или промышленных объектах в дополнительную мощность.
7. Солнечные термоэлектрики могут быть более эффективнее, чем фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии, особенно в районах с меньшим солнечным светом.

МГД-генераторы электроэнергии

Магнитогидродинамический генератор мощности генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ или плазма) и магнитного поля. С 1970 года в нескольких странах были проведены исследовательские программы МГД с особым акцентом на использование угля в качестве топлива.

Основополагающий принцип генерации MHD-технологий элегантен. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него действует электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика XIX века Майкла Фарадея).

Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа от высокого до низкого давления так же, как и в обычном газовом турбогенераторе. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как ей разрешено расширяться. Интерес к генерированию МГД был первоначально вызван открытием того, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.

Предельные характеристики с точки зрения эффективности в тепловых двигателях были установлена в начале XIX века французским инженером Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора для каждого кубического метра его объема пропорциональна продукту газопроводности, квадрату скорости газа и квадрату силы магнитного поля, через который проходит газ. Для того, чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно, с хорошей производительностью и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 К (около 1500 С или 2800 F).

Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах мира способствуют развитию углеродных систем МГД для производства электроэнергии.