Мировые запасы ископаемой энергии неуклонно сокращаются. Точные прогнозы делать трудно, но в настоящее время принято считать, что запасов нефти достаточно, чтобы покрыть текущий мировой спрос примерно на 50 лет.
Поэтому все больше внимания уделяется более эффективному использованию возобновляемых источников энергии и внедрению мер по сокращению потребления энергии. Поэтому часто возникает вопрос: как можно использовать ископаемые источники энергии лучше, чем раньше?
Однако многие технические процессы потребляют лишь одну треть потребляемой энергии. Остальное теряется в виде отработанного тепла. Это должно измениться в будущем.
Исследователи во всем мире работают над тем, чтобы неиспользованное отработанное тепло от автомобилей, станков, электрогенераторов и т. д. использовалось эффективно, тем самым снижая потребление первичной энергии.
Например, в энергетическом секторе отработанное тепло уже успешно используется для когенерации тепла и электроэнергии.
Тепло от нагретого воздуха все больше и больше используется в зданиях (например, швейцарский муниципалитет Уитикон использует отработанное тепло центра обработки данных IBM для нагрева воды для местных бань) и т. д.
Однако можно также напрямую вырабатывать электроэнергию из отработанного тепла. Это стало возможным благодаря термоэлектрическим генераторам, сокращенно ТЭГ (thermoelectric generator - TEG).
Термоэлектрические генераторы
Работа термоэлектрических генераторов основана на физическом явлении, известном как эффект Зеебека, который описывает генерацию электрического напряжения между двумя концами проводника с разными температурами. Таким образом, ТЭГ используют разницу температур для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Результирующее напряжение очень мало и колеблется от нескольких микровольт до градусов Цельсия, в зависимости от используемого материала и разницы температур. Более высокое напряжение возникает в случае полупроводникового материала, который также обрабатывается более надлежащим образом.
Однако КПД термоэлектрического генератора важен для практического использования. Еще несколько лет назад эффективность ТЭГ составляла всего несколько процентов, поэтому они не подходили для получения большего количества энергии.
Устройство и приницип ТЭГ
Эффективность ТЭГ зависит от физических свойств используемого термоэлектрического материала зависит от физических свойств используемого термоэлектрического материала, которые можно обобщить как коэффициент термоэлектрической добротности ZT.
Величина ZT зависит от коэффициента Зеебека, который является специфической константой для каждого материала, от электропроводности и теплопроводности материала и максимальна при Т = 300 К (27° С).
При этой температуре коэффициент термоэлектрической добротности обычных материалов составляет около 1, что слишком мало, чтобы сделать использование отработанного тепла экономически выгодным. Поэтому специалисты всего мира работали над созданием современных термоэлектрических материалов с более высоким значением ZT.
Помимо большого коэффициента Зеебека, такой материал должен обладать низкой теплопроводностью (т.е. по возможности плохо проводить тепло) и в то же время высокой электропроводностью (т.е. максимально хорошо проводить ток).
С физической точки зрения это сложное требование, поскольку материалы, хорошо проводящие ток, обычно также являются хорошими проводниками тепла, электрическая и теплопроводность в некоторой степени связаны и не могут быть оптимизированы независимо друг от друга.
Поэтому специалистам пришлось «дозревать до природы» и модифицировать соответствующие материалы на атомном уровне, чтобы можно было искусственно снизить их способность проводить тепло при сохранении высокой электропроводности, но при этом позволять использовать их при высоких температурах.
Термоэлектрический генератор
На рубеже XX-го и XXI-го веков нанотехнологии и использование нанокомпозитных полупроводниковых материалов открыли большие возможности в этом направлении.
В настоящее время наиболее распространенным производственным процессом является укладка нанометрически тонких слоев термоэлектрически активного материала.
В другом производственном процессе вместо тонких слоев используется смесь термоэлектрических материалов, которые, однако, не образуют единый кристалл, а состоят из множества спрессованных нанокристаллов.
В то время как крупный, геометрически правильно организованный кристалл может быстро и бесконечно подвергаться тепловой волне, в случае многих мелких кристаллов она сохраняется на их границах раздела, и теплопередача ухудшается.
Современные термоэлектрические устройства (термоэлектрические модули) состоят из полупроводниковых соединений на основе теллурида висмута (Bi2Te3), теллурида свинца (PbTe), скуттерудитов (CoSb3), сплавов Si-Ge и других полупроводниковых соединений или их комбинации.
Специалистам Фраунгоферовского института физических измерительных технологий IPM (Institut for Physikalische Messtechnik) во Фрайбурге удалось изготовить лабораторные термоэлектрические полупроводниковые материалы со значением ZT до 3,5 и таким образом повысить эффективность ТЭГ более чем в три раза.
Начиная с ZT = 1,5 ТЭГ имеют широкое народнохозяйственное применение, и если бы коэффициент термоэлектрической добротности удалось увеличить до 2, то текущий объем рынка ТЭГ мог бы увеличиться в десятки раз. Вот почему сейчас началась глобальная гонка за внедрением новых термоэлектрических материалов в больших масштабах, как можно скорее и по доступной цене.
100-ваттная система TEG с водяным охлаждением
Утилизация отработанного тепла в автомобиле
Специалисты Фраунгоферовского института во Фрайбурге уже несколько лет занимаются не только разработкой термоэлектрических материалов нового поколения, но и проектируют новые ТЭГ-модули и системы для эффективного использования остаточного тепла.
Для непосредственного производства электроэнергии они в первую очередь хотели бы использовать отработанное тепло, вырабатываемое в автомобиле, где почти две трети энергии топлива теряется в виде неиспользованного тепла.
Около 30% этого количества теряется непосредственно в блоке двигателя, а еще от 30 до 35% уходит с выхлопными газами.
В результате в выхлопной трубе возникают высокие температуры, превышающие 700°С, а разница температур между выхлопной трубой и магистралью охлаждающей жидкости, таким образом, может достигать нескольких сотен градусов Цельсия. Такая разница температур очень выгодна для использования термоэлектрического генератора.
Такие ТЭГ-модули для утилизации отработанного тепла в автомобилях называются называют автомобильными термоэлектрическими генераторами (АТЭГ).
Например, в настоящее время в Германии зарегистрировано около 50 миллионов автомобилей, использующих почти пятую часть всего энергопотребления страны. По статистике немецкие автомобили в среднем ездят около 200 часов в год.
Если бы для питания бортовой электроники с помощью АТЭГ можно было бы получить из отработанного тепла в одном автомобиле около 1 кВт электроэнергии, то за один год можно было бы сэкономить до 10 ТВт·ч энергии.
Это примерно мощность электростанции мощностью 1000 МВт. Поэтому существует огромный интерес к использованию энергии тепла выхлопных газов в автомобильной промышленности.
Большое количество автомобильных компаний, включая Volkswagen, VOLVO, FORD и BMW, в сотрудничестве с НАСА разрабатывают собственные термоэлектрические системы рекуперации отработанного тепла, каждая из которых достигает различных типов производительности, но все они ожидают привести к улучшению экономии топлива на 3-5%, в то время как мощность, вырабатываемая этими устройствами, потенциально может достигать 1200 Вт.
Установка термоэлектрического генератора (ТЭГ) в выхлопной системе салона BMW
Беспроводные датчики с питанием от термогенераторов в средах, где существуют перепады температур, также могут позволить избежать проблем со сроком службы и надежностью батареи. Это также привело бы к возможности отказаться от проводных датчиков, которые по-прежнему являются предпочтительным решением, когда требуется повышенная надежность измерений.
Термоэлектрические генераторы имеют много преимуществ для использования в автомобиле: они не чувствительны к ударам, бесшумны и не боятся больших перепадов температур, не производят никаких выбросов.
Поскольку ТЭГ не содержат механических частей, они также не требуют технического обслуживания и имеют чрезвычайно длительный срок службы.
Это также основная причина, по которой ТЭГ уже более пятидесяти лет используются в радиоизотопных генераторах в качестве источников энергии для космических зондов и спутников при полетах в районах, где нет солнечного света.
Смотрите также: Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы