Как преобразовать тепловую энергию в электрическую
Перейти к содержимому

Как преобразовать тепловую энергию в электрическую

  • автор:

Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на объектах газовой промышленности за счет охлаждения газа с помощью термоэлектрических модулей Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Усачев Роман Дмитриевич

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития производства электрической энергии из тепла, выделяемой при охлаждении природного газа на объектах газодобывающей промышленности

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Усачев Роман Дмитриевич

Способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Использование термоэлектрических генераторов в судовых энергетических установках как устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Модель термоэлектрической системы для утилизации теплоты, выделяемой рэа
Повышение экологической безопасности транспортных средств применением термоэлектрического генератора

Проектирование термоэлектрического генератора, работающего от теплоты выхлопных газов судовых дизелей

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY ON THE OBJECTS OF GAS INDUSTRY BY GAS COOLING USING THERMOELECTRIC MODULES

Held the scientific-technological development analvsis of existing installations and methods of direct conversion of thermal energv into electrical energv. Discusses the strategv and prospects of development of production of electrical energv from heat released bv cooling natural gas at gas industry

Текст научной работы на тему «Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на объектах газовой промышленности за счет охлаждения газа с помощью термоэлектрических модулей»

Надёжность и диагностирование технического состояния электротехнических.

СПОСОБ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ НА ОБЪЕКТАХ ГАЗОВОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЗА СЧЕТ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА

С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития производства электрической энергии из тепла, выделяемой при охлаждении природного газа на объектах газодобывающей промышленности.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п. д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Все системы требуют надежных источников питания, причем год от года потребляемая мощность для аналогичных систем снижается, а требования к надежности возрастают.

Сейчас на объектах газодобывающей промышленности, которые располагаются в районах крайнего севера в условиях вечной мерзлоты, добывают огромные объемы природного газа. Когда газ попадает на станцию охлаждения, выделяется огромное количество тепла. Оно безвозвратно уходит в атмосферу. Такие объекты промышленности получают электроэнергию от электросетей, которая сейчас достаточно затратна. Анализируя данную проблему, можно полагать, что это тепло можно преобразовать в электрическую энергию и не зависеть от электросетей. Тем самым экономить капитал.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию — превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Этими установками могут служить так называемые термоэлектрические модули.

Они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств:

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 3

— отсутствие подвижных частей;

— отсутствие рабочих жидкостей;

— работа в любом пространственном положении;

— малый размер и вес системы; простота управления.

Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.

Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Все это в наше время становится наиболее актуальным, учитывая, что около 90% сбрасываемой тепловой энергии на объектах газовой промышленности выделяется при температуре поверхностей до +300 °С.

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при больших перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно в принципе.

ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счетхолодного наружного воздуха. Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебека, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токо-отводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура генератора. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 40. 50 %.

Существуют также устройства, использующиеся на газотурбинах. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодного воздуха.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфидасамария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Следует отметить также, что применяемый материал 8ш8, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150. 450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, термисторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, энергетическая промышленность, бытовая сфера.

Надёжность и диагностирование технического состояния электротехнических.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности. Совершенствования нового принципа пока не ясны, но достигнутые результаты являются достаточными, чтобы начать разрабатывать оптимальную конструкцию генератора.

1. Каминский В.В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014. Т. 56. В. 9. С. 131 — 142.

2. Пат. № 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф. № 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014. Бюл. № 33. 11 с.

3. Фаворский О.Н. Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую: учебное пособие. М.: Высшая школа, 2015. 287 с.

Усачев Роман Дмитриевич, асп., senior. usacheff1992@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY ON THE OBJECTS OF GAS INDUSTRY BY GAS COOLING USING THERMOELECTRIC

Held the scientific-technological development analysis of existing installations and methods of direct conversion of thermal energy into electrical energy. Discusses the strategy and prospects of development of production of electrical energy from heat released by cooling natural gas at gas industry.

Key words: thermoelectric generator, electricity, thermal energy converter.

Usachev Roman Dmitrievich, postgraduate, senior. usacheff1992@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

Способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Семенов В.С., Бейльман А.В., Трифанов И.В.

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Семенов В.С., Бейльман А.В., Трифанов И.В.

Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на объектах газовой промышленности за счет охлаждения газа с помощью термоэлектрических модулей

Проектирование термоэлектрического генератора, работающего от теплоты выхлопных газов судовых дизелей

Повышение экологической безопасности транспортных средств применением термоэлектрического генератора

Предельная эффективность термоэлектрического преобразования теплоты в высокотемпературных энергоустановках

Модельная экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Текст научной работы на тему «Способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую»

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В. С. Семенов, А. В. Бейльман Научный руководитель — И. В. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

V. S. Semenov, A. V. Beylman Scientific supervisor — I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п. д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию — превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами. Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды. Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.

2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2]. ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.

3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

4. В 2011-2012 гг. при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].

Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.

Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.

Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).

1. Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К. Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. «Морская техника и технология». 2011. № 1. С. 84-91.

2. Пат. № 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф. № 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014. Бюл. № 33. 11 с.

3. Железняков А. Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).

4. Каминский В. В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014. Т. 56. В. 9. С. 131-142.

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

RU2236723C2 — Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую — Google Patents

Publication number RU2236723C2 RU2236723C2 RU2002127173/09A RU2002127173A RU2236723C2 RU 2236723 C2 RU2236723 C2 RU 2236723C2 RU 2002127173/09 A RU2002127173/09 A RU 2002127173/09A RU 2002127173 A RU2002127173 A RU 2002127173A RU 2236723 C2 RU2236723 C2 RU 2236723C2 Authority RU Russia Prior art keywords electric energy energy capacitor charge conversion Prior art date 2002-10-14 Application number RU2002127173/09A Other languages English ( en ) Other versions RU2002127173A ( ru Inventor н М.И. Даниел (RU) М.И. Даниелян В.Е. Анисимов (RU) В.Е. Анисимов В.В. Чурилин (RU) В.В. Чурилин В.Г. Руднев (RU) В.Г. Руднев н М.В. Даниел (RU) М.В. Даниелян Original Assignee Даниелян Макич Иванович Анисимов Валерий Егорович Чурилин Вячеслав Валентинович Руднев Владимир Григорьевич Даниелян Михаил Владимирович Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2002-10-14 Filing date 2002-10-14 Publication date 2004-09-20 2002-10-14 Application filed by Даниелян Макич Иванович, Анисимов Валерий Егорович, Чурилин Вячеслав Валентинович, Руднев Владимир Григорьевич, Даниелян Михаил Владимирович filed Critical Даниелян Макич Иванович 2002-10-14 Priority to RU2002127173/09A priority Critical patent/RU2236723C2/ru 2004-05-20 Publication of RU2002127173A publication Critical patent/RU2002127173A/ru 2004-09-20 Application granted granted Critical 2004-09-20 Publication of RU2236723C2 publication Critical patent/RU2236723C2/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к устройствам преобразования одного вида энергии в другой и может использоваться для получения электроэнергии без затраты топлива за счет тепловой энергии окружающей среды. Технический результат — повышение коэффициента преобразования энергии с одновременным упрощением реализации способа. Согласно изобретению осуществляют цикл заряд-разряд алюминийоксидных конденсаторов с определенными временными параметрами сигнала заряда и цикла заряда-разряда. За счет поглощения тепловой энергии окружающей среды получаемое количество электроэнергии больше затраченного. Изобретение может использоваться в технике и быту для уменьшения расхода электроэнергии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам преобразования одного вида энергии в другой и может использоваться для получения электроэнергии без затраты топлива за счет тепловой энергии окружающей среды.

Известны способы емкостного преобразования тепловой энергии в электроэнергию путем осуществления цикла заряд-разряд батареи конденсаторов, при которых за счет изменения диэлектрической проницаемости (в цикле заряд-разряд конденсатора возможно получение дополнительной электрической энергии (см. Н.Е.Заев, «Журнал русской физической мысли». 1991, №1, с. 49-52) (1). Из указанного источника информации установлено, что третий член энергии U в единице объема U=U0(T)+1/2ε0ε Е 2 +l/2Tdε /dT E 2 имеет вид тепловой энергии Т[ε0ε Е 2 /2dt]=Т (теплоемкость) или электрической энергии ε 0Е 2 /· 2[dε /dTT]=ε0ε хE 2 /2 (см. Б.Б.Голицын, «Ученые записи Московского университета». 1895, №10, Избранные труды 1 М 1960 г.). Из этого следует, что при осуществлении цикла заряд-разряд специальных конденсаторов-варикондов возможно преобразование тепловой энергии в электрическую энергию. Более подробно этот процесс рассмотрен в статье ″ Емкость — конвертор тепла среды в электроэнергию″ , Н.Е.Заев, Ю.С.Спиридонов, Журнал Электротехника. 1998, №12, с.53-55.

К недостаткам данного способа можно отнести использование специальных конденсаторов-варикондов, изменение (процентное) емкости которых за счет изменения диэлектрической проницаемости незначительно, что не позволяет использовать способ (и устройство его реализующее) в промышленных масштабах.

Технический результат — повышение коэффициента преобразования энергии с одновременным упрощением реализации способа.

Указанный результат достигается тем, что в качестве конденсаторов используются алюминиевые — оксидные, заряд осуществляется однополярными импульсами напряжения, передний фронт которых имеет наклон менее 90° , а задний фронт — более 90° , при этом отношение длительности импульсов напряжения к длительности процесса заряда составляет от 2 до 5, а после окончания процесса заряда формируют паузу, определяемую соотношением τ =1/RC 10 -3 (сек), где (τ — время паузы, R — сопротивление нагрузки (Ом), С — емкость конденсатора (фарада), после чего осуществляют разряд конденсатора на нагрузку, время которого равно длительности однополярного импульса напряжения.

Дополнительной особенностью способа является то, что после окончания разряда формируют дополнительную паузу. Рассмотрим физические основы работы согласно способу. Согласно B.C.НЕЛЕПЕЦ «Электрические конденсаторы» Госиздат по вопросам радио. — М., 1937, с. 5. Емкость конденсатора определяется по формуле С=0,08ε S/d, где S — поверхность обкладок, d — толщина диэлектрика, ε — диэлектрический коэффициент. Авторами изобретения установлено, что при указанных параметрах цикла заряд-разряд в электрических конденсаторах алюминий-оксид, наиболее распространенных сейчас, происходит изменение S-поверхности электродов за счет заполнения электролитом микронеровностей и уменьшается d — расстояние между электродами, что позволяет фактически заряжать большую, чем номинальная емкость.

На фиг.1 приведен вид однополярного импульса сигнала и временные диаграммы цикла заряд-разряд конденсатора.

На фиг.2 — общая схема цикла заряд-разряд конденсатора.

Под действием управляющего сигнала конденсатор (или батарея конденсаторов) подключается к источнику однополярных импульсов напряжения, передний фронт импульсов имеет угол наклона α <90° , а задний фронт с углом наклона β >90° . На время заряда Тз конденсатор подключается к источнику однополярных импульсов напряжения (поз. 1 фиг.2) далее следует Тп — пауза (поз. 2 фиг.2) и Тр — разряд конденсатора (поз. 3 фиг.2). Во время заряда под действием электростатики электролит начинает проникать в микронеровности обкладок конденсатора. Этот процесс продолжается в течение паузы после окончания заряда. Отсутствие паузы приводит к тому, что у электролита нет времени проникнуть в микронеровности, изменяя поверхность электрода и уменьшая толщину диэлектрика, что приводит к увеличению емкости и положительного эффекта не наблюдается.

При разряде конденсатор отдает запасенную энергию. При этом согласно (1) тепловая энергия окружающей среды переходит в электрическую энергию, т.к. температура обкладок конденсатора снижается и они нагреваются (поддерживают температуру) за счет тепловой энергии окружающей среды. При этом из-за большой теплопроводности материалов охлаждение самого конденсатора незначительно.

Необходимо отметить, что однополярные импульсы напряжения могут иметь не только треугольную форму, главное, чтобы передний и задний фронты не были 90° , т.е. импульсы не должны быть прямоугольной формы. При проведении эксперимента использовались импульсы, полученные в результате двухполупериодного выпрямления сигнала сети 50 Гц. Работа на чисто активную нагрузку показала, что дополнительно получаемая электрическая энергия составляет около 15%. Другие типы конденсаторов не дают указанного эффекта. Изобретение может найти широкое применение в технике и быту для уменьшения расхода электроэнергии, потребляемой из сети.

Claims ( 2 )

1. Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, заключающийся в том, что осуществляют цикл заряд-разряд алюминиевых оксидных конденсаторов, причем заряд осуществляется однополярными импульсами напряжения, передний фронт которых имеет наклон менее 90°, а задний фронт более 90°, при этом отношение длительности импульсов напряжения к длительности процесса заряда составляет 2 — 5, после окончания процесса заряда формируют паузу, определяемую соотношением т = 1/RC·10 -3 с, где т — длительность паузы, R — сопротивление нагрузки, Ом, С — емкость конденсатора, Ф, после чего осуществляют разряд конденсатора на нагрузку, время которого определяется длительностью однополярных импульсов напряжения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после окончания разряда формируют дополнительную паузу.

RU2002127173/09A 2002-10-14 2002-10-14 Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую RU2236723C2 ( ru )

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002127173/09A RU2236723C2 ( ru ) 2002-10-14 2002-10-14 Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002127173/09A RU2236723C2 ( ru ) 2002-10-14 2002-10-14 Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002127173A RU2002127173A ( ru ) 2004-05-20
RU2236723C2 true RU2236723C2 ( ru ) 2004-09-20

Family

ID=33433072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002127173/09A RU2236723C2 ( ru ) 2002-10-14 2002-10-14 Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Country Status (1)

Country Link
RU ( 1 ) RU2236723C2 ( ru )

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party

Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2489793C1 ( ru ) * 2012-04-28 2013-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУВПО «КнАГТУ») Низкопотенциальный преобразователь энергии перепада температур
RU2557066C1 ( ru ) * 2014-03-31 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением
RU2559290C1 ( ru ) * 2014-03-31 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур
RU2762537C1 ( ru ) * 2021-04-13 2021-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный университет» (ФГБОУ ВО «КнАГУ») Электромеханический преобразователь энергии перепада температур ступенчатого типа
  • 2002
    • 2002-10-14 RU RU2002127173/09A patent/RU2236723C2/ru not_active IP Right Cessation

    Non-Patent Citations (1)

    * Cited by examiner, † Cited by third party

    Title
    ЗАЕВ Н.Е. и др. Емкость-конвертор тепла среды в электроэнергию. — Электротехника. 1998, №12, с.53-55. *

    Cited By (4)

    * Cited by examiner, † Cited by third party

    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    RU2489793C1 ( ru ) * 2012-04-28 2013-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУВПО «КнАГТУ») Низкопотенциальный преобразователь энергии перепада температур
    RU2557066C1 ( ru ) * 2014-03-31 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением
    RU2559290C1 ( ru ) * 2014-03-31 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур
    RU2762537C1 ( ru ) * 2021-04-13 2021-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный университет» (ФГБОУ ВО «КнАГУ») Электромеханический преобразователь энергии перепада температур ступенчатого типа

    Similar Documents

    Publication Publication Date Title
    Prasad et al. 2002 Fabrication and evaluation of 450 F electrochemical redox supercapacitors using inexpensive and high-performance, polyaniline coated, stainless-steel electrodes
    CN110336099B ( zh ) 2021-11-23 一种电池自加热方法及装置
    RU2236723C2 ( ru ) 2004-09-20 Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую
    CA2677883C ( en ) 2014-04-01 Method of charging double electric layer electrochemical capacitors
    Panigrahi et al. 2018 Analysis, design, and implementation of an elastomer generator based energy harvesting scheme
    Chen 2000 High pulse power system through engineering battery-capacitor combination
    EA013358B1 ( ru ) 2010-04-30 Усиленный термически твердофазный генератор
    Pal et al. 2019 Performance of a synchronous buck converter for a standalone PV system: an experimental study
    RU2002127173A ( ru ) 2004-05-20 Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую
    TW201826688A ( zh ) 2018-07-16 壓電能量採集裝置
    Jow et al. 1995 Amorphous thin film ruthenium oxide as an electrode material for electrochemical capacitors
    RU2227947C1 ( ru ) 2004-04-27 Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию
    Rajani et al. 2016 Ultracapacitor-battery hybrid energy storage for pulsed, cyclic and intermittent loads
    TW201123682A ( en ) 2011-07-01 Solar storage system and method of charge using the same
    SU983895A1 ( ru ) 1982-12-23 Устройство дл зар да аккумул торной батареи асимметричным током
    Rafik et al. 2006 Supercapacitors characterization for hybrid vehicle applications
    Grama et al. 2009 Experimental determination of equivalent series resistance of a supercapacitor
    EP3804077A1 ( en ) 2021-04-14 A pulse discharge system
    Xu et al. 2012 Study on power converting system of liquid metal MHD generator driven by wave energy
    CN115664385B ( zh ) 2023-04-28 用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置及方法
    CN203788022U ( zh ) 2014-08-20 基于pwm超级电容充电装置
    Crossland et al. 2009 Mechanical to electrical energy conversion in a hybrid liquid-solid dielectric electrostatic generator
    TWI765480B ( zh ) 2022-05-21 具最大功率點追蹤之充電系統
    JPS6416277A ( en ) 1989-01-19 Energy conversion utilizing waste heat
    JP2785563B2 ( ja ) 1998-08-13 超低周波発生装置

    Legal Events

    Effective date: 20041015

    Энергия тепла: новый рекорд КПД термофотоэлектрического преобразования

    Проблема классических энергоносителей (уголь, газ, нефть), а точнее их конечного количества, уже не является сенсационной новостью. Многие годы ученые со всех уголков Земли ищут альтернативные источники энергии, разрабатывают методики и устройства для их использования и всячески стараются спасти наш вид от энергетического коллапса и экологической катастрофы. Столь популярная в наши дни зеленая энергия представляет собой источники этой самой энергии, запасы которых практически неистощаемы: солнце, ветер, волны, приливы/отливы и т. д. И если с поиском источника энергии, по сути, проблем нет (Солнце найти несложно), то вот вопрос максимально эффективного преобразования той или иной энергии в электрическую остается открытым. Ученые из Массачусетского технологического института (США) разработали новый тип двигателя без каких-либо движущихся частей, который преобразует энергию тепла в электричество. Из чего состоит новый двигатель, как именно он работает, и. самое главное, насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

    Основа исследования

    В основе разработке лежит термофотовольтное (ТПВ или TPV от thermophotovoltaic) преобразование энергии, которое преобразует тепло в электричество за счет фотонов. Подробнее о принципе работы данной системы можно узнать тут. TPV позволяет накапливать и преобразовывать энергию от источников тепла с более высокой температурой, чем турбины, которые сегодня повсеместно используются в производстве электроэнергии.

    Изображение №1

    С момента первой демонстрации TPV с эффективностью в 29% (1a), где использовался встроенный отражатель на задней поверхности и вольфрамовый эмиттер при 2000 °C, характеристики последующих вариаций TPV становились лучше с каждым новым исследованием. Однако, несмотря на прогнозы о том, что эффективность TPV может превышать 50%, продемонстрированная эффективность по-прежнему составляет всего 32%, хотя и при гораздо более низких температурах (ниже 1300 °C).

    В рассматриваемом нами сегодня труде ученые демонстрируют новый тип TPV с эффективностью более 40%. TPV батареи представляют собой двухпереходные устройства, содержащие III-V материалы с шириной запрещенной зоны* от 1.0 до 1.4 эВ, оптимизированные для температур эмиттера (излучателя) в 1900–2400 °C.

    Запрещенная зона* — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещенной зоны твердого тела определяет его как проводник, полупроводник или диэлектрик.

    Столь высокий уровень эффективности стал возможен благодаря трем основным факторам:

    • использование материалов с большей шириной запрещенной зоны в сочетании с температурой эмиттера от 1900 до 2400 °C;
    • применение архитектуры с возможностью настройки ширины запрещенной зоны, обеспечиваемой метаморфической эпитаксией*;
    • интеграция отражателя на задней поверхности (BSR от back surface reflector) с высокой отражающей способностью.

    Эпитаксия* — закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом при более низких температурах, т. е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого.

    Батареи представляют собой тандемные устройства на 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ, оптимизированные для диапазона температур эмиттера 1900-2400 °C (изображение №1) для применения в системах хранения тепловой энергии (TEGS от thermal energy grid storage). TEGS — это недорогая технология хранения энергии в масштабе сети, в которой используются TPV для преобразования тепла в электричество при температуре выше 2000 °C, что является режимом, недоступным для турбин. По сути, это батарея, которая потребляет электричество, преобразует его в высокотемпературное тепло, сохраняет тепло, а затем по запросу преобразует его обратно в электричество с помощью TPV.

    Варианты применения TPV: a — концептуальная иллюстрация TEGS, которая потребляет электричество, преобразует его в тепло посредством джоулевого нагрева, сохраняет тепло в изолированных графитовых блоках, а затем использует TPV для преобразования тепла в электричество. Также показана элементарная ячейка силового блока; b — диаграмма Санки, показывающая потоки энергии в системе TEGS в масштабе и с различными показателями эффективности; c — взаимосвязь между эффективностью подсистемы TPV и размером силового блока или отношением объема к площади поверхности; d — концептуальная иллюстрация системы производства электроэнергии на основе сжигания с использованием TPV.

    Изначально задумывалось, что TEGS будет работать с использованием расплавленного кремниевого носителя, но графитовый носитель не хуже, при этом второй вариант намного дешевле ($ 0.5 за кг). Такая низкая стоимость позволяет TEGS соответствовать реальному рынку энергоносителей и конкурировать по стоимость с ископаемыми видами топлива.

    Результаты исследования

    Стоит отметить, что эффективность TPV батареи определяется иначе, чем у солнечной, так как, в отличие от второго, система TPV может сохранять, а затем преобразовывать энергию в субзонные фотоны. Это связано с тем, что в контекстах, в которых предполагается использовать TPV, батарея TPV имеет высокий коэффициент обзора для излучателя. Это означает, что субзонные фотоны могут отражаться обратно к излучателю TPV батареей (1b). Отражая непреобразованные фотоны, энергия субзонного света сохраняется за счет повторного поглощения излучателем. Отраженный и затем повторно поглощенный свет помогает поддерживать излучатель в горячем состоянии, тем самым сводя к минимуму затраты энергии, необходимые для нагрева излучателя. В результате эффективность ячейки TPV определяется уравнением:

    где Pout — электрическая мощность, генерируемая TPV батареей; Voc — напряжение холостого хода, Isc — ток короткого замыкания, а FF — коэффициент заполнения вольт-амперной кривой. Суммарное тепло, поглощаемое и выделяемое в батарее (Qc) складывается из тепла, генерируемого за счет паразитного поглощения в полупроводнике или металлическом отражателе, термальных потерь из-за избыточной энергии падающих фотонов, джоулевых потерь на нагрев из-за протекания тока и нерадиационных рекомбинационных потерь. Суммарная энергия, полученная батареей, эквивалентна Pout + Qc и может быть также выражена как Pinc — Pref, где Pinc — падающая энергия, а Pref — отраженная энергия.

    Исходя из вышеописанного уравнения, для повышения эффективности TPV необходимо увеличить выходную мощность (Pout) и/или уменьшить количество поглощаемого и выделяемого в батарее тепла (Qc).

    Стоит также отметить, что высокие температуры эмиттера, предназначенные для TEGS и других приложений, позволяют использовать батареи с большей шириной запрещенной зоны (не менее 1.0 эВ) вместо батарей с малой шириной запрещенной зоны на основе InGaAs или GaSb, традиционно используемых для TPV. Этот фактор является ключевым, так как спектр света смещается в сторону более длинных волн по мере снижения температуры излучателя, поэтому традиционные элементы TPV, которые соединены с излучателями менее 1300 °C, обычно основаны на 0.74 эВ InGaAs или 0.73 эВ GaSb.

    Схема тандемов 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ.

    Что касается отражателя, то BSR с высокой отражательной способностью имеет решающее значение для минимизации Qc. BSR с высокой отражающей способностью обеспечивают дополнительное преимущество повышения напряжения холостого хода, поскольку они также улучшают рециркуляцию люминесцентных фотонов, генерируемых излучательной рекомбинацией. Учитывая это, созданные батареи представляли собой двухпереходные конструкции на 1.2/1.0 эВ и 1.4/1.2 эВ, предназначенные для применения в TEGS с температурой эмиттера от 1900 до 2400 °C. Батареи с несколькими переходами повышают эффективность по сравнению с одиночными переходами за счет снижения потерь термализации* горячих носителей и снижения резистивных потерь за счет работы при более низкой плотности тока.

    Термализация* — процесс достижения физическими телами теплового равновесия посредством взаимодействия.

    В первом варианте конструкции тандема использовались верхние и нижние контакты AlGaInAs 1.2 эВ и GaInAs 1.0 эВ со смещенными решетками, что связано с кристаллографической постоянной решетки подложки GaAs, на которой они выращены.

    Во втором варианте конструкции тандема использовалась верхняя ячейка GaAs на 1.4 эВ с постоянной решеткой и нижняя ячейка GaInAs на 1.2 эВ со смещенной решеткой. Такая комбинация использует преимущество изначально более высоких показателей эпитаксии с согласованной решеткой в ​​ячейке GaAs (1c и 1d).

    Тандем 1.2/1.0 эВ с меньшей шириной запрещенной зоны предлагает потенциал для более высокой плотности мощности, чем тандем 1.4/1.2 эВ, поскольку он преобразует более широкую полосу падающего спектра, и, следовательно, требования к BSR менее строгие для получения высокой эффективности. С другой стороны, хоть тандем 1.4/1.2 эВ и имеет меньшую выходную мощность, уменьшенная плотность тока обеспечивает более высокую эффективность, чем тандем 1.2/1.0 эВ, если возникают резистивные потери.

    Изображение №2

    На графике 2a показаны результаты измерения коэффициента отражения, а на 2b показана внутренняя квантовая эффективность протестированных тандемов 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ. Отражательная способность в случае абсолютно черного тела при 2150 °C составила 93.0% для тандема 1.4/1.2 эВ и 93.1% для тандема 1.2/1.0 эВ.

    На 2c и 2d показаны результаты измерений плотности тока в зависимости от напряжения, которые проводились под вольфрамовым галогенным эмиттером с температурным диапазоном от 1900 до 2400 °C. Как и предполагали ученые, тандем 1.2/1.0 эВ имел более низкое напряжение, но более высокую плотность тока, чем тандем 1.4/1.2 эВ.

    Изображение №3

    На графике 3a показано измерение эффективности (КПД) в том же диапазоне температур эмиттера, которое было выполнено при одновременном измерении Qc и Pout.

    Результаты для тандема 1.4/1.2 эВ показали увеличение эффективности с увеличением температуры эмиттера. Эффективность превысила 40% при 2350 °C, что находится в пределах целевого диапазона 1900–2400 °C, необходимого для применения в TEGS. При 2400 °C эффективность достигала 41.1 ± 1%. В среднем по температурному диапазону (от 1900 до 2400 °C) КПД составляло 36.2%. Плотность электрической мощности составила 2.39 Вт/см 2 при максимальной температуре эмиттера 2400 °С.

    Результаты для тандема 1.2/1.0 эВ показали большую эффективность, чем для тандема 1.4/1.2 эВ, при более низких температурах эмиттера из-за меньшей ширины запрещенной зоны. КПД тандема 1.2/1.0 эВ достигало максимума в 39.3 ± 1% при 2127 °C. Среднее значение КПД в диапазоне температур 1900. 2300 °C составило 38.2 %. Важно отметить, что этот показатель практически не менялся даже при колебаниях температуры в пределах 400 градусов. Эта особенность крайне важна для TEGS, так как указывает на возможность достижения неизменно высокой эффективности, даже если температура эмиттера будет меняться в процессе разрядки системы TEGS.

    Плотность электрической мощности составила 2.42 Вт/см 2 при максимальной измеренной температуре эмиттера 2279 °С и 1.81 Вт/см 2 в точке максимального КПД при температуре эмиттера 2127 °С.

    КПД тандема 1.2/1.0 эВ менее чувствителен к изменению температуры эмиттера, имеет более высокую удельную электрическую мощность при заданной температуре. Однако тандем 1.4/1.2 эВ может достигать более высокой эффективности при самых высоких температурах эмиттера.

    На 3a также прогнозы моделирования эффективности при различных условиях. Было получено хорошее соответствие моделируемых и экспериментальных данных, что указывает на возможность расширения модели для экстраполяции того, как производительность изменится при дополнительных улучшениях или при других условиях эксплуатации. К примеру, одним из важнейших свойств TPV, которое можно было бы улучшить, является отражательная способность (Rsub). На 3b показано как менялась бы эффективность, если бы Rsub было увеличено. Если Rsub равно 97%, то при температуре эмиттера тандем 1.4/1.2 эВ мог бы выдать КПД выше 50%.

    Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

    Эпилог

    Термофотоэлектрические (TPV) элементы, использованные учеными в рассмотренной нами сегодня разработке, ранее выдавали эффективность на уровне примерно 20 % с рекордным значением в 32 %. Однако ученым удалось увеличить этот показатель до 40 %.

    Достигнуто это было за счет применения необычной слоистой структуры: сплав с высокой шириной запрещенной зоны, затем сплав с меньшей шириной запрещенной зоны и зеркальный слой золота под ним. Первый слой улавливает фотоны с самой высокой энергией, исходящие от источника тепла (эмиттера), а фотоны с меньшей энергией проходят сквозь него и захватываются вторым слоем. Фотоны, которые проходят и через второй слой, отражаются обратно к источнику тепла, тем самым обеспечивается минимизация потерь.

    Подобное устройство лишено каких-либо движущихся частей, зато обеспечивает высокую степень преобразования тепловой энергии в электрическую. По мнению ученых, их творение имеет шанс стать еще более эффективным, если получится увеличить один из самых важных параметров, а именно отражательную способность.

    Такого рода разработки, как отмечают авторы, являются не только производительными и эффективными с точки зрения добычи энергии, но и полностью экологически чистыми на протяжении всего рабочего цикла. Если переориентировать современную добычу электроэнергии на такие установки, то выбросы углекислого газа можно сократить на 40%.

    Немного рекламы

    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

    • Блог компании ua-hosting.company
    • Научно-популярное
    • Энергия и элементы питания
    • Физика
    • Экология

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *