Термоэлектрический эффект — это физическое явление, состоящее в прямом преобразовании тепла в электрическую (эффект Зеебека) или обратном преобразовании электрического тока в тепло (эффект Пельтье) без движущихся механических частей. В этом обзоре сообщается о современных термоэлектрических генераторах, приложениях и последних достижениях.
Для будущих поколений важно сократить количество потребляемой энергии в мире, а этого можно достичь только за счет развития технологий и использования диверсифицированных возобновляемых источников энергии, т. е. солнечной, ветровой, гидроэнергии, в дополнение к источникам энергии, используемым в настоящее время.
Среди этих различных источников энергии термоэлектричество в настоящее время становится распространенным и многообещающим альтернативным источником энергии в будущем. Их использование становится все более интересным, поскольку они предлагают преимущества повторного использования отработанной энергии.
Это означает преобразование тепла от промышленности или автомобильного транспорта в электрическую энергию, что повышает эффективность системы и снижает эксплуатационные расходы и загрязнение окружающей среды.
Термоэлектричсекий генератор
С момента открытия термоэлектричества (ТЕ) в 1821 году Зеебеком исследователи пытались понять и контролировать это явление. Пельтье сделал именно это в 1834 г., открыв противоположный эффект, а лорд Кальвин в 1851 г. сформулировал законы, связывающие эти два явления. В следующем столетии, в 1909 году, Эдмунд Альтенкирх впервые правильно рассчитал энергетическую эффективность термоэлектрического генератора, теперь известную как показатель качества (ZT).
Термоэлектрические модули
Типичный термоэлектрический модуль (модуль ТЭГ) состоит из от десяти до ста термоэлектрических элементов типа n и типа p, электрически соединенных последовательно, а термически параллельно и размещенных между двумя керамическими слоями. Пары pn соединены проводящими контактами с элементами припоем с низкой температурой плавления (PbSn или BiSn).
Когда между двумя его спаями возникает градиент температуры, ТЭГ преобразует тепловую энергию в электрическую по принципу термоэлектрического эффекта Зеебека.
Критической проблемой при разработке ТЭГ является ухудшение первоначальных свойств, вызванное термической усталостью, которая, в свою очередь, вызывается тепловым расширением и тепловым ударом. Эта деградация может быть резкой или прогрессирующей и приводить к сокращению срока службы и эффективности.
Фактически при нормальной работе термоэлектрических устройств они периодически нагреваются и охлаждаются и подвергаются тепловому расширению.
Термоэлектричсекие материалы могут испытывать различные эффекты расширения от источников температуры, которые вызывают повышенное напряжение на границе раздела между ними. Эти напряжения, как правило, являются основной причиной отказа механизма.
Схема типичного термоэлектрического устройства
Применение термоэлектрических генераторов
Для выработки электроэнергии от термоэлектрического модуля необходимо наличие разницы температур между его горячими и холодными поверхностями.
Другими словами, необходимо, чтобы тепло, полученное от горячего источника, рассеивалось на полупроводниковые элементы p и n модуля, а затем на холодный источник, которым обычно является окружающая среда.
Применение ТЭГ можно разделить на три категории в зависимости от характера горячего источника:
- радиоизотопный источник тепла,
- природный источник тепла,
- отработанный источник тепла.
1. Радиоизотопный источник тепла
Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТЭГ) представляет собой ядерный электрогенератор простой конструкции. Это не процесс синтеза или ядерного деления, который потребовал бы значительных ограничений системы, а естественный распад радиоактивного атома, обычно плутония 238, в виде двуокиси плутония 238PuO2. При распаде радиоактивные атомы выделяют тепло, часть которого непосредственно преобразуется в электричество.
Первый РИТЭГ был разработан Mound Laboratories в 1954 году. Источник тепла состоял из сферы диаметром 1 см, содержащей 57 Ки (1,8 Вт) 210Po внутри стальной капсулы с никелированным покрытием, все в контейнере из люцита. С хромель-константановыми термопарами, припаянными серебром, «тепловая батарея» производила 1,8 мВт.
Три области, а именно космическая сфера, устройства электропитания в отдаленных районах и медицинская сфера, выиграли от РИТЭГов, хотя последние две области не процветали из-за рисков, связанных с использованием радиоизотопов.
Первым РИТЭГом, запущенным в космос Соединенными Штатами Америки, был SNAP 3B в 1961 году, работающий на 96 граммах металлического плутония 238, на борту космического корабля Navy Transit 4A. В 2010 г. США запустили 41 РИТЭГ на 26 космических системах.
Среди них были Galileo (запущен в 1989 г. к Юпитеру), Ulysses (запущен в 1990 г. как солнечная орбита), Cassini (запущен в 1997 г. к Сатурну), New Horizons (запущен в 2006 г. для полета над Плутоном в 2015 г.) и робот Curiosity из Марсианской научной лаборатории (установлен на Марсе в 2012 году).
Системы ядерных вспомогательных силовых установок (SNAP) использовались для зондов, которые путешествовали далеко от Солнца, что делало солнечные панели непроницаемыми.
РИТЭГи, использовавшиеся в космической программе США, первоначально включали материалы SiGe TE, установленные в GPHS-RTG, позже их сменили сплавы теллурида свинца или TAGS, используемые в MMRTG (многоцелевой RTG).
MMRTG был разработан в рамках программы называется усовершенствованным MMRTG или eMMRTG с использованием новых термоэлектрических материалов скуттерудита для достижения более высокой эффективности и низкой скорости деградации, что важно для долгосрочных миссий к внешним планетам.
Разрез MMRTG
Устройства электроснабжения в отдаленных районах
Одно из первых наземных применений РИТЭГов было осуществлено в 1966 г. ВМС США для питания экологических приборов на небольшом необитаемом острове Фейруэй-Рок на Аляске. РИТЭГи использовались на этом объекте до 1995 года.
Эти системы были разработаны для питания оборудования, требующего стабильного и надежного источника питания, в течение нескольких лет и без технического обслуживания. Примерами этого могут быть источники питания для систем, расположенных в изолированных или недоступных средах, таких как маяки и навигационные маяки, а также метеостанции.
Точно так же в период с 1960 по 1980 год в Советском Союзе было построено множество автоматических маяков и навигационных маяков, оснащенных примерно 1000 РИТЭГами. Все российские РИТЭГи давно выработали свой 10-летний ресурс и требуют экстремальных мер по демонтажу из-за потенциально опасного источника радиоактивности и риска.
Очевидно, что все исследования и разработки в этой области были остановлены.
В 1966 году маленькие плутониевые элементы (очень маленькие РИТЭГи, питаемые Pu238) использовались в имплантированных кардиостимуляторах для обеспечения очень длительного срока службы батареи. В 2004 году около 90 из них все еще использовались.
Многие компании производили кардиостимуляторы с ядерным двигателем: ARCO (Perma-grain), Medtronic (Laurens-Alcatel), Gulf General Atomic, Cordis (Telektronic, Accuffix), American Optical, Technologie Biocontrol (Coratomic) и Medical Devices, Inc (MDI).
После разработки литиевых батарей рынок ядерных батарей иссяк.
2. Природный источник тепла
Природный газ и биомасса
Пуйе в 1840 году использовал эффект Зеебека для изготовления термоэлектрической ячейки со спаянной парой висмута и меди. Два припоя были погружены в два сосуда, один с тающим льдом, а другой с горячей водой. Этот аппарат, питающий постоянный источник электричества, использовался автором для исследования общих законов токов.
В то же время было построено и даже коммерциализировано несколько прототипов термоэлектрических батарей разных размеров и материалов для разных целей.
Например, батарея Эрстеда и Фурье, разработанная для их исследований, термобатарея Румкорфа (1860 г.), работающая на газе и охлаждаемая водой, и гигантская батарея Кламона (1879 г.), которая была первой термоэлектрической батареей, питаемой уголь или древесина, которые можно было бы использовать в промышленности, высотой 2,50 м и диаметром 1 м. Его максимальная мощность составляла 192 Вт при 54 Вольтах и 3,5 Ампер.
Наиболее выдающимся достижением был термоумножитель Меллони, построенный в 1830 году, который был инструментом для получения очень небольшого количества чувствительного тепла.
Батарея состояла примерно из десяти пар висмут-сурьма, которые были связаны с гальванометром Нобили. Этот прибор был настолько чувствителен, что стрелка гальванометра отклонялась под действием естественного тепла человека, находящегося на расстоянии 10 м от батареи.
В настоящее время термобатареи или термоэлектрические генераторы ТЭГ предназначены для питания автономных датчиков, установленных в удаленных местах с суровыми условиями окружающей среды, т.е. очень низкой температурой и труднодоступностью, где традиционные возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца и ветра, не всегда доступны. Тепло обычно подается беспламенной каталитической горелкой.
Несколько производителей термоэлектрических генераторов, работающих на природном газе, установлены более чем в 55 странах. Например, Gentherm производит ТЭГ мощностью от 15 до 550 Вт. Эти генераторы в основном используются на морских платформах, вдоль трубопроводов, на высоте или вблизи газовых скважин.
Термогенератор модели Gentherm 5030
Другим примером является компания Farwest Corrosion Control, производящая и устанавливающая ТЭГ для катодной защиты труб от коррозии и установившая более 15 000 генераторов в 51 стране.
Было продано несколько продуктов, предназначенных для общественного пользования. Одним из таких было термоэлектрическое свечное радио (1990 г.), которое использует тепло свечей для питания радио через модуль FeSi 2 TE.
Эти приложения устарели с появлением других, более практичных технологий, но, несмотря на это, все еще есть некоторые специальные приложения, такие как CampStove.
Это оборудование, предназначенное для кемпинга в целом, сжигает дрова для производства 2 Вт электроэнергии. 0,4 А и 5 В с использованием термоэлектрического генератора, в котором подключение электрических устройств осуществляется через порт USB.
Термоэлектрическая печь CampStove
Человеческое тело
Поскольку тепло человеческого тела является естественным и стабильным, его можно использовать для подачи электричества в очень специфических приложениях, например, в медицине. Человеческое тело выделяет около 100 Вт тепла в состоянии покоя и 525 Вт при физической нагрузке.
С 2001 года было проведено несколько исследований носимых термоэлектрических генераторов (WTEG) с целью замены литий-ионных аккумуляторов в качестве источника питания для портативных устройств, учитывая, что мировой рынок портативных технологий быстро растет и расширяется. ожидается, что к 2020 году он превысит 34 миллиарда долларов, а к 2021 году — 78 миллиардов долларов.
WTEG классифицируются в соответствии с их жесткой или гибкой (расширяемой или нет) архитектурой в 2D или 3D-конфигурациях или по материалам их компонентов TE, которые являются неорганическими, органическими или гибридными.
Леонов и Вуллерс опубликовали интересный обзор ВТЭГ, сосредоточив внимание на термоэлектрических генераторах жесткого и гибкого типа. Они пришли к выводу, что стиль носимого термоэлектрического генератора является зрелым и что основная задача заключалась в повышении эффективности генератора, а также в том, чтобы сделать его тоньше и гибче.
Эти авторы провели обширные исследования ТЭГ на жесткой подложке. Они разработали различные продукты WTEG, которые использовали тепло тела, например, беспроводную электрокардиографическую систему, встроенную в офисную рубашку. Этот продукт питался от 17 небольших ТЭ-модулей, встроенных в переднюю часть рубашки. Они преобразовывали естественный тепловой поток тела в электрическую энергию мощностью от 0,8 до 3 мВт в зависимости от физической активности человека.
Одной из ведущих компаний в этой области является IMEC (Бельгия), которая с 2000-х годов работает над термоэлектрической генерацией людьми для питания электронных систем здравоохранения.
IMEC и Holst Center разработали несколько беспроводных датчиков, таких как система регистрации ЭЭГ с питанием от тела, которая вырабатывает мощность 2–2,5 мВт и носится как повязка на голову, и беспроводной пульсоксиметр (2006 г.), полностью работающий от часов типа TEG, использующих коммерческие термобатареи Bi 2 Te 3 в котором генератор развивает мощность около 89 мкВт.
Первые термоэлектрические наручные часы, работающие за счет преобразования тепла тела в электрическую энергию, были проданы компаниями Seiko и Citizen и датируются 1999 годом. Часы Seiko производили 22 мкВт электроэнергии и напряжение холостого хода 300 мВ с КПД около 0,1% [50].
Другой пример — браслет Dyson TE (2012 г.), который, используя тепло тела, заряжал встроенную в него батарею для зарядки мобильного телефона или любого другого мобильного устройства.
Seiko Thermic, наручные часы Seiko Thermic
Мультисенсорный браслет с питанием от ns-FTEG и FTEG
Из-за недостатков жестких модулей, т.е. высокого теплового сопротивления между кожей и ТЭГ, гибкие модули больше подходят для выработки электроэнергии за счет тепла тела, так как их можно адаптировать к форме тела, увеличивая тем самым полезную площадь поверхности для улавливания тепла. и снижение теплового контактного сопротивления.
Франсиозо разработал гибкий и переносной микротермоэлектрический генератор, состоящий из 100 матричных тонкопленочных термопар Sb 2 Te 3 и Bi 2 Te 3, предназначенный для питания приложений электроники с очень низким энергопотреблением (AAL). Наилучший полученный результат составил 430 мВ в разомкнутой цепи и электрическую выходную мощность до 32 нВт при 40 °C.
Новый подход был представлен Suarez et al. с использованием стандартных объемных ветвей, соединенных между собой растяжимым эвтектическим сплавом галлия и индия с низким удельным сопротивлением (EGaIn), все в гибком эластомерном пакете.
Авторы сообщили о коэффициенте качества (ZT) 0,35, который, по их утверждению, лучше, чем у любого другого подобного устройства, о котором сообщалось в открытой литературе.
Задан и др. представили мягкий и растяжимый термоэлектрический генератор (ТЭГ) с возможностью расширения, чтобы исследовать интеграцию этого ТЭГ в носимые технологии.
Все исследования, проведенные до сих пор, показали, что этот вариант может быть жизнеспособен только при умеренных температурах, т.е., в частности, в помещении, и это ограничивает его применение вместе с высокой стоимостью термоэлектрических модулей.
Сулеймани и др. опубликовали обзор последних разработок в области неорганических, органических и гибридных носимых ТЭГ. Авторы пришли к выводу, что неорганические ТЭ материалы остаются благоприятными из-за их высокого ZT (~1), но неблагоприятными из-за их редкости, токсичности и непрактичной жесткости.
Органические термоэлектрические материалы обладают высокой гибкостью и нетоксичностью элементов, но их слабыми сторонами являются низкая стабильность на воздухе и сложность процесса синтеза. Они сообщили, что гибридные термоэлектрические материалы являются решением проблемы жесткости неорганических ТЭ материалов и низкой эффективности органических ТЭ материалов. Эти гибридные термоэлектрические материалы подходят для портативных ТЭГ.
Цзян и др. представил обзор, посвященный последним разработкам термоэлектрических материалов, касающихся материалов на основе пленки и волокна для гибких носимых приложений. Они пришли к выводу, что эти приложения в конечном итоге станут реальностью с развитием технологии подготовки пленочных или волоконных ножек, моделей терморегуляции человека для разработки носимых устройств и интеграции с другими носимыми устройствами преобразования возобновляемой энергии.
Солнце
Солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ) — это система, предназначенная для рекуперации тепла солнечного излучения и преобразования его в электричество с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ). Он становится технологической альтернативой и конкурирует с доминирующими солнечными фотоэлектрическими системами, несмотря на его низкую эффективность преобразования по сравнению с фотоэлектрической технологией.
СТЭГ классифицируются по типу используемых оптических датчиков, а именно система оптического концентрирования или нет. Оптические датчики концентрации обычно представляют собой цилиндрические линзы, линзы Френеля, параболические зеркала, плоские зеркала или параболические концентраторы. Неконцентрированные растворы скорее ограничены плоскими пластинчатыми коллекторами, откачанными или неоткачанными, и вакуумными трубками.
Картик и др.в недавнем обзоре сообщили, что использование оптических концентраторов в сочетании с тепловыми трубками повышает эффективность солнечных термоэлектрических генераторов (СТЭГ).
Первое исследование термоэлектрической солнечной энергии относится к концу 19 века , когда Уэстон запатентовал в 1888 году, в котором термобатарея (ТЭГ) сочеталась с зеркалом или линзой для фокусировки солнечного излучения на горячих спаях и аккумуляторная батарея.
Первые экспериментальные данные по устройству ПТЭГ были опубликованы Кобленцем в 1922 г. с КПД менее 0,01%. В 1954 году Телкес сообщил о большем прогрессе в устройстве STEG, которые продемонстрировали эффективность 3,35%. Использовались сплавы типа ZnSb в сочетании с отрицательным сплавом Bi. Ниже приведены наиболее важные исследования солнечных термоэлектрических генераторов (СТЭГ).
Были проведены теоретическое и экспериментальное исследования по интеграции термоэлектрических модулей в солнечные вакуумные нагреватели (SHP-TE).
Экспериментальные данные показали электрический КПД 1%, что немного ниже, чем у системы с органическим Ренкина, но, по мнению авторов, система СХП-ТЭ проста и не имеет подвижных компонентов, а ее узлы легко заменяются. По тому же принципу было проведено еще одно творческое исследование с использованием параболического солнечного концентратора.
Кремер и др. использовали наноструктурированные термоэлектрические материалы для разработки термоэлектрических генераторов с плоскими солнечными панелями. Эти ТЭ достигли максимальной эффективности 4,6% при облучении 1 кВт·м-2. Эффективность была в 7-8 раз выше, чем лучшее значение, о котором сообщалось ранее для плоскопанельного дисплея.
Аматья и Рам объединили коммерческий модуль Bi 2 Te 3 с параболическим концентратором (солнечная концентрация в 66 раз больше солнечной). Был измерен КПД системы 3% и достигнута выходная мощность 1,8 Вт.
Рехман и др. предложил новую конструкцию коллектора для солнечного концентрированного термоэлектрического генератора. Система имела электрический КПД 1,45% и максимальный оптический КПД 93,61%.
Солнечная термоэлектрическая генерация (СТЭГ)
Ли и др. оценили прототип, состоящий из термоэлектрического генератора концентрации солнечной энергии (СТГ) с линзой Френеля. Их результаты показали, что максимально возможная эффективность CTG может достигать 9,8%, 13,5% и 14,1%, соответственно, для сплавов Bi 2 Te 3, скуттерудита и LAST (серебряно-сурьмяно-свинцовый теллурид).
Фотогальванические и термоэлектрические системы являются единственными процессами, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую. Некоторые исследования были проведены на гибридных фотогальванических-термоэлектрических системах и концентрированных фотогальванических (CPV)-термоэлектрических системах.
Другая гибридная система состоит из прямого соединения солнечного водонагревателя с термоэлектрическим модулем, чтобы улучшить общую производительность системы, производящей одновременно тепло и электричество. Однако их комбинация сложна из-за их противоположных характеристик, поскольку эффективная интеграция двух систем имеет важное значение.
Шрипадманабхан Индира и др. исследовали различные конфигурации гибридной системы, объединяющей фотоэлектрические концентраторы (CPV) и термоэлектрические генераторы (TEG), и наметили рекомендации для будущих исследований.
Авторы сообщили, что интегрированные солнечные тепловые системы на основе CPV-TEG имеют более высокие электрические и тепловые характеристики, чем у неконцентрированных систем PV-TEG.
Ли и др. сравнили гибридную фотогальваническую-термоэлектрическую (PV-TE) систему, в которой используется массив микроканальных тепловых трубок вместе с фотоэлектрической выработкой электроэнергии. Результаты показали, что электрическая эффективность гибридной системы PV-TE была примерно на 14% выше, чем у фотоэлектрической системы.
Мизошири и др. построил гибридный модуль, состоящий из тонкопленочного термоэлектрического модуля и фотоэлектрического модуля. Этот гибридный модуль пропускал свет через инфракрасный фильтр (горячее зеркало), пропуская только тот свет, который способствовал фотогальваническому преобразованию. При этом отраженный свет фокусировался на теплую сторону термоэлектрического модуля с помощью линзы.
Общее напряжение холостого хода гибридного термофотоэлектрического генератора увеличилось на 1,3% по сравнению с использованием одного фотоэлектрического модуля. Что касается гибридных систем TPV/TE, то термофотоэлектрические элементы (TPV) способны преобразовывать инфракрасное излучение в электричество. Они состоят из источника тепла, излучателя, фильтра и фотогальванических элементов.
В отличие от фотоэлектрических солнечных панелей, элементы TPV освещаются лучистыми источниками горения. Учитывая, что плотность мощности излучения этих источников может быть намного выше, чем у солнца, плотность электрической мощности элементов TPV намного выше, чем у солнечных элементов с эффективностью 24,5%.
На данный момент было проведено несколько исследований интегрированных систем TPV/TE.
Цю и Хейденсообщили, что эффективность интегрированной системы с ячейками TPV GaSb и TEG была выше, чем у отдельных TPV и TE. По этой причине гибридная система TPV/TE представляет собой интересную альтернативную систему, и в будущем потребуются дальнейшие исследования.
Тем не менее, основная проблема с гибридными системами заключается в достижении оптимальной гибридизации, что означает обеспечение того, чтобы сумма максимальных мощностей, производимых отдельно каждым PV и TE, равнялась мощности, производимой гибридной системой.
3. Источник отработанного тепла
Огромное количество низкопотенциального отработанного тепла выбрасывается в окружающую среду без какой-либо попытки рекуперации тепла. За последние три десятилетия было предпринято много усилий для повышения эффективности термоэлектрической технологии в приложениях рекуперации тепла. Этому способствует тот факт, что технология ТЭ может быть легко адаптирована к физическим параметрам, таким как температура, давление и теплоноситель, для данного применения рекуперации тепла.
Утилизацию отработанного тепла с использованием термоэлектрической технологии можно разделить на две основные группы следующим образом.
Рекуперация отходящего тепла от промышленности и жилых домов
Дай и др. в своем исследовании сообщили, что в Соединенных Штатах 33% энергии промышленного производства выбрасывается непосредственно в атмосферу или в системы охлаждения в виде отработанного тепла, и это количество тепла можно было бы использовать для производства от 0,9 до 2,8 ТВт-ч электроэнергии в год, если бы термоэлектрические материалы со средними значениями ZT в диапазоне от 1 до 2.
Следовательно, необходимы технические и экономические исследования для разработки возможностей крупномасштабных приложений, которые в среднесрочной и долгосрочной перспективе сделают его конкурентоспособным источником чистой энергии.
Цзоу и др. продемонстрировали, что городские сточные воды можно использовать для производства электроэнергии с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ).
Их теоретическое исследование, проведенное для станции очистки сточных вод Кристиансбург, показало, что выработка энергии составляет от 1094 до 70986 кВтч в год с экономией от 163 до 6076 долларов США. эффективность восстановления сточных вод составила 1,28%, а срок амортизации оборудования увеличился до 8 лет.
Араиз и др. провели технико-экономическое исследование термоэлектрической регенерации горячих газов завода по производству каменной ваты. Они сообщили о максимальной полезной выработке электроэнергии в 45 кВт и приведенной стоимости электроэнергии около 0,15 евро/кВтч, что продемонстрировало осуществимость системы.
Мирхоссейни и др. провели аналогичное исследование, используя дугообразный поглотитель, предназначенный для термоэлектрической рекуперации отработанного тепла вращающейся цементной печи. Экономическая оценка показала, что доминирующим параметром в стоимости системы является теплоотвод.
Стоит отметить, что рекуперация тепла сильно зависит от температуры окружающей среды. В жарких регионах исследования в основном были сосредоточены на утилизации тепла, выделяемого в системах кондиционирования воздуха. Однако исследования по рекуперации тепла были более разнообразными в холодных регионах.
Килландер и Басс разработал и испытал прототип термоэлектрического генератора, предназначенного для выработки небольшого количества электроэнергии с использованием тепла существующих дровяных печей в домах в холодных и изолированных районах северной Швеции.
Стоимость подключения к сети в этом регионе колеблется от 5 000 до 120 000 долларов США за дом. Устройство обеспечивало достаточно энергии для электрического освещения и просмотра телевизора долгими зимними ночами.
В Нидерландах компания Gasunie Research, оператор энергетической сети, разработанная в 1999-2000 годах, построила и испытала 20 автономных (автономных) котлов, которые использовали пламя нагревателя для одновременной выработки электроэнергии, достаточной для работы его электрических компонентов с использованием 20 термоэлектрических модулей. Они пришли к выводу, что эти термоэлектрические генераторы выдавали 60 Вт электричества, чего было достаточно для работы их электрических компонентов.
Другие испытания были проведены в Соединенных Штатах Америки и Англии на водяных установках центрального отопления бытового масштаба, которые были модифицированы с добавлением термоэлектрической ступени для демонстрации автономной работы в реальных условиях.
Термоэлектрическая ступень представляет собой набор из 18 термоэлектрических модулей из сплава теллурида висмута, который вырабатывает электрическую мощность 109 Вт, достаточную для питания вентилятора, газового регулятора и водяного насоса водяного центрального отопления.
По данным Сорнека и соавторов, коммерческий успех такой установки должен быть направлен на:
- внесение необходимых модификаций в нагревательные устройства,
- разработку специальной структуры ТЭГ.
В случае условий эксплуатации, когда температура окружающей среды не так важна, как расположение системы вне сети, Басс и Фарли испытали три термоэлектрических генератора, предназначенных для выработки электроэнергии на месторождении природного газа.
Эти генераторы преобразовывали отработанное тепло, производимое оборудованием, используемым на газовом месторождении, в источник тепловой энергии для генераторов. Электроэнергия использовалась для катодной защиты, питания телеметрии и освещения.
Кроме того, американские военные использовали термоэлектрическую технологию, чтобы упростить логистику кормления в полевых условиях, интегрировав термоэлектрические устройства в штурмовую кухню, которая использовалась для разогрева пищевых пайков в полевых условиях.
Эти устройства не нуждались во внешнем электрическом генераторе для питания штурмовой кухни. Кроме того, они производили избыток электроэнергии, которую можно было использовать для освещения, зарядки аккумуляторов, питания радио, аппаратуры связи и т. д.
Рекуперация отработанного тепла транспортных систем
Автомобили
На автомобильный транспорт в Европе приходится около 20 % всех выбросов углекислого газа, 75 % которых приходится на частные автомобили, и аналогичные показатели наблюдаются в Америке и Азии. Европейские правила направлены на достижение целевого уровня выбросов CO 2 в 95 г/км к 2021 г. и 68 г/км к 2025 г. для легковых и легких коммерческих автомобилей.
Стоит принять во внимание, что две трети энергии сгорания транспортного средства теряется в виде отработанного тепла, 40% которого приходится на горячий выхлопной газ. Если бы около 6% тепла выхлопных газов можно было преобразовать в электрическую энергию, можно было бы сократить расход топлива примерно на 10%.
С этой целью крупные американские, азиатские и европейские автомобильные компании в сотрудничестве с научно-исследовательскими институтами и университетами пытаются разработать различные типы ТЭГ для улучшения топливной экономичности своих моделей автомобилей, сохранения и получения дополнительной доли в будущем. автомобильный рынок, который, несомненно, будет более ограничительным.
Агудело и др. испытали дизельный легковой автомобиль в климатической камере, чтобы определить потенциал рекуперации энергии выхлопных газов. Они пришли к выводу, что потенциальная экономия топлива составляет от 8% до 19%, а глушитель показал самые высокие потери энергии, поэтому установка ТЭГ должна быть расположена до него.
Более того, есть в основном три возможных места для ТЭГ, а именно:
- ТЭГ размещается в конце выхлопной системы;
- ТЭГ расположен между каталитическим нейтрализатором и глушителем, лучший вариант;
- ТЭГ расположен перед каталитическим нейтрализатором и работает бесшумно.
Если вес установленного ТЭГ и дополнительные перепады давления в выхлопной системе не оптимизированы, автомобиль будет потреблять больше топлива, чем необходимо для его экономии, и, как следствие, система становится полностью неэффективной.
Различные термоэлектрические генераторы, выпускаемые для автомобилей (АТЭГ), можно сравнивать в зависимости от формы, материала или подходящей системы теплопередачи.
В конце 1980-х годов Биркхольт в сотрудничестве с Порше предложил термоэлектрический генератор с прямоугольным поперечным сечением, способный производить до 58 Вт в пиковых условиях с элементами FeSi2.
В конце 1990-х Исследовательский центр Nissan из Японии разработал ТЭ-генератор прямоугольного сечения из 72 модулей. Каждый из этих модулей содержал 8 пар элементов Si-Ge для применения в транспортных средствах с бензиновым двигателем. Электрическая мощность, выдаваемая генератором, составляла 35,6 Вт.
Позже был испытан термоэлектрический генератор на основе 16 Bi 2 Te 3модули, работающие при низкой температуре; электрическая мощность, вырабатываемая генератором, составляла 193 Вт.
В 1992 году компания Hi-Z Technology начала разработку термоэлектрического генератора мощностью 1 кВт для дизельных двигателей грузовых автомобилей при финансовой поддержке Министерства энергетики США и Калифорнийской энергетической комиссии.
Amerigon (теперь Gentherm) разработала термоэлектрические генераторы для легковых автомобилей в период с 2004 по 2011 год в 5 этапов. Проект спонсировался Министерством энергетики США (DOE) и рассчитывал на участие BMW и Ford в Фазе 3 и Faurecia в Фазе 5.
Этапы 1 и 2 касались испытаний низкотемпературного жидкостно-жидкостного ТЭГ мощностью 500 Вт, построенного из материалов Bi 2 Te 3, имплантированных в плоскую пластинчатую конструкцию ТЭГ.
На этапе 3 был установлен двухступенчатый плоский газожидкостный ТЭГ высокой температуры (выше 600 °С), состоящий из ТЭ элементов, сегментированных в две ступени, на основе полугейслеровского сплава (Zr, Hf) вблизи входа горячего газа и элементы Bi 2 Te 3 вблизи выхода. Измеренная выходная мощность составила около 100 Вт.
На этапах 4 и 5 из-за ограничений конструкции с плоской пластиной была выбрана новая цилиндрическая конструкция, и на этапе 4 выходная мощность достигла более 200 Вт.
На заключительном этапе было достигнуто улучшение выходной мощности на BMW X6 и Lincoln MKT (Ford) мощностью более 600 Вт при испытаниях транспортных средств и более 700 Вт при стендовых испытаниях.
Этот успех побудил Gentherm, BMW и Tenneco в 2011 году запустить новую семилетнюю программу с использованием нового термоэлектрического картриджного устройства.
Электроэнергия, вырабатываемая ТЭГ, позволила сэкономить расход топлива на 2%, что было далеко от целей программы.
General Motors разработала прототип с использованием модулей Bi-Te и Skutterudite, который был установлен на пригородном автомобиле Chevrolet. Их окончательным выбором были скуттерудиты, используемые при высоких температурах. Ожидается, что средняя мощность, развиваемая TEG, составит 350 Вт для городских ездовых циклов и 600 Вт для автомагистралей.
В 2013 году Fiat и Chrysler объявили о производстве первого легкого коммерческого автомобиля, оснащенного ТЭГ с экономией топлива 4%. В ТЭГ использовалась перекрестноточная архитектура с сегментированными ТЭ-элементами из TAGS, Bi 2 Te 3 -PTe и скуттерудитов.
Другая актуальная разработка называлась RENOTER, объединение между Renault и Volvo с участием 8 партнеров и частично финансировалось французским правительством. Этот проект был выполнен с целью установки термоэлектрических генераторов (ТЭГ) в их автомобильном модельном ряду.
Интеграция ТЭГ в выхлопную линию прототипа BMW X6
Бу Надер предложил инновационную термодинамическую схему и исследовал потенциал экономии топлива гибридных электромобилей с использованием системы термоэлектрического генератора в качестве преобразователя энергии вместо обычного двигателя внутреннего сгорания.
Результаты моделирования показали, что при выбранной конфигурации термоэлектрического генератора расход топлива на 33 % выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания. Это исследование подчеркнуло важность увеличения коэффициента полезности модуля термоэлектрического генератора для достижения эффективности системы, сравнимой с двигателем внутреннего сгорания.
Этот преобразователь энергии может быть использован в будущих силовых агрегатах, использующих альтернативные виды топлива с нулевым выбросом углерода.
Недавно Шен и соавторы представили текущее состояние, проблемы и будущие перспективы автомобильных термоэлектрических генераторов на выхлопных газах. Авторы назвали одиннадцать проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем появится возможность коммерческого применения. В основном это низкий КПД ТЭГ, недостаточная теплоотводящая способность и неравномерное распределение температуры на стороне выхлопа, а также ограниченность пространства.
Мотоциклы
Мотоциклы являются наиболее часто используемым средством передвижения в некоторых странах, таких как Индонезия.
Септиади и др. исследовал полезность установки термоэлектрического генератора на выхлоп мотоцикла. Их результаты показали, что достигнутое выходное напряжение составило 15,7 В и 7,7 В для ТЭГ из 4 и 2 модулей соответственно.
В 2013 году компания ATSUMITEC в сотрудничестве с Нагойским технологическим институтом применила модуль Гейслера к генератору недостаточной мощности мотоцикла, путем интеграции термоэлектрического устройства с топливным элементом.
Топливный элемент производил энергию из следовых количеств отработавшего топлива в выхлопных газах. Разница температур между теплом выхлопных газов и теплом, выделяемым в результате химической реакции в топливном элементе, использовалась для выработки электроэнергии с помощью термоэлектрического устройства. Суммарная выходная мощность топливного элемента плюс термоэлектрическая мощность составляла 400 Вт.
Шлихтинг и др. проверили возможность установки ТЭГ на мотоцикл с целью замены генератора на ТЭГ. Они использовали 570 модулей для согласования с выходной мощностью генератора. Они пришли к выводу, что потенциал замены генератора на ТЭГ довольно низок.
Самолеты и вертолеты
Современные самолеты все чаще оснащаются датчиками и передатчиками для лучшего контроля и мониторинга, а также для большей безопасности. Подача питания на эти датчики по линиям электропередач привела бы к дополнительной тяжелой проводке, что привело бы к дополнительному расходу топлива. Использование термоэлектрических генераторов для питания таких приборов является одним из наиболее перспективных подходов.
Внедрение автономных сетей беспроводных датчиков приведет к снижению веса и сложности самолета, что приведет к снижению расхода топлива.
По оценкам компании Boeing Research & Technology, сокращение потребления топлива на 0,5 % приведет к сокращению ежемесячных эксплуатационных расходов на 12,075 млн долл. США для коммерческих самолетов США и примерно на 0,03 % к сокращению выбросов углерода для пассажирских самолетов США, принимая во внимание вклад самолетов в глобальный выбросы углерода составляют примерно 2%.
Недавнее исследование, проведенное в рамках Немецкой программы аэронавигационных исследований (LuFo-5) по характеристикам термоэлектрического генератора, встроенного между горячей частью воздушного винта и байпасным потоком охладителя, показало, что эффективность ТЭГ находится в диапазоне от 3% до 7% при мощности от 1 кВт/м2 до 9 кВт/м2 в зависимости от его расположения в различных горячих частях воздушного винта.
Лирас и др. разработали ТЭГ для установки между внутренней и внешней стенками самолета, поскольку фюзеляж подвергается воздействию крайне низких температур (~ -50 оC), а внутри самолета поддерживается контролируемая температура (~ +20 оC) для комфорта пассажиров.
Некоторые датчики, такие как датчик напряжения, контролирующий исправность корпуса, должен быть установлен на разных частях самолета. Поэтому было бы очень полезно иметь возможность использовать ТЭГ, прикрепленный непосредственно к фюзеляжу и объединенный с теплоаккумулятором из материала с фазовым переходом (PCM).
Это создало бы температурный градиент во время взлета и посадки, что могло бы генерировать электроэнергию для питания Узла автономных маломощных беспроводных датчиков.Система была успешно интегрирована и функционально протестирована, что позволило использовать ее в летно-испытательном комплексе.
Вертолеты также рассматривались в рамках исследования возможности утилизации выхлопных газов вертолетов с использованием термоэлектрических модулей. Результаты этого исследования показали, что электрическая энергия, вырабатываемая в реальных условиях эксплуатации, была значительной, но в настоящее время недостаточной, особенно если принять во внимание соотношение веса и мощности.
Корабли
В открытой литературе мало сообщений об исследованиях термоэлектрической рекуперации потерянного тепла с кораблей. Одни только морские перевозки составляют около 2,8% парниковых газов в мире. Кроме того, интеграция теплоэлектростанций на судах более выгодна, чем в других транспортных системах, поскольку вода для охлаждения полностью доступна.
Интеграция термоэлектричества в этот сектор практически отсутствует из-за отсутствия строгих международных правил, устанавливающих допустимые нормы загрязнения для судов, в отличие от автомобильного сектора.
Европейский союз в настоящее время планирует меры по сокращению выбросов от международного морского транспорта, поэтому введение новых и более строгих правил должно увеличить скорость исследований.
Проект под названием ECOMARINE, совместно финансируемый Европейским союзом (Европейский социальный фонд) и национальными фондами Греции, был реализован для внедрения термоэлектрической установки по утилизации энергии с целью максимизации производства электроэнергии за счет утилизации отработанного тепла и одновременного улучшения качества электроэнергия.
В этом контексте Лупис и соавторы разработали трубчатый ТЭГ диаметром 500 мм, обеспечивший очень низкий перепад давления потоков отработавших газов при их прохождении через РИТЭГ. Авторы сообщили об эффективности преобразования 6,4%, рекуперации отработанного тепла 1,2% и подаче электроэнергии 20,3 кВт.