Вход на сайт

Облако тегов

АШ-YouTube

Новый материал устанавливает рекорд по превращению тепла в электричество

Аватар пользователя Mike1975

Термоэлектрические материалы способны преобразовывать тепло в электрическую энергию . Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если существует разница температур между двумя концами такого материала, может быть создано электрическое напряжение (ЭДС) и может начать течь ток. Количество электрической энергии, которое может быть произведено при заданной разности температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие термоэлектрики на сегодняшний день были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученые из TU Wien (Венский Технический Университет) в настоящее время преуспели в разработке совершенно нового материала со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно было бы использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли бы генерировать свое собственное электричество из перепадов температур. Новый материал уже был представлен в журнале "Nature".

Электричество и температура

"Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые трудно согласовать", - говорит профессор Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела в ту-вин. "С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, а с другой-как можно хуже переносить тепло. Это сложная задача, поскольку электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны."

В Лаборатории Термоэлектричества Кристиана Допплера, которую Эрнст Бауэр основал в TU Wien в 2013 году, за последние несколько лет были изучены различные термоэлектрические материалы для различных применений. Это исследование привело теперь к открытию особенно замечательного материала - комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

"Атомы в этом материале обычно расположены в строго регулярном порядке в так называемой гранецентрированной кубической решетке",-говорит Эрнст Бауэр. - Расстояние между двумя атомами железа всегда одно и то же, и то же самое верно для других типов атомов. Таким образом, весь кристалл является полностью регулярным."

Однако, когда тонкий слой материала наносится на кремний, происходит нечто удивительное: структура меняется радикально. Хотя атомы всё еще образуют кубическую структуру, теперь они расположены в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. 

"Два атома железа могут сидеть рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше нет никакого правила, которое диктует, где следующий атом железа должен быть найден в кристалле", - объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и нерегулярности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет, как электроны движутся в твердом теле. 

"Электрический заряд движется через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Порции заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля", - говорит Эрнст Бауэр. 

Таким образом, достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, тормозятся неравномерностями в кристаллической структуре. Поэтому теплопроводность уменьшается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно генерироваться из разности температур - потому что, если бы разность температур могла уравновеситься очень быстро и весь материал вскоре имел бы везде одинаковую температуру, термоэлектрический эффект остановился бы.

Электричество для Интернета вещей

"Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но у него есть преимущество быть чрезвычайно компактным и адаптируемым", - говорит Эрнст Бауэр. "Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных приложений."

Спрос на такие маломасштабные генераторы быстро растет: в "Интернете вещей" все больше и больше устройств подключаются друг к другу в режиме онлайн, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производственных установок, где одна машина должна динамично реагировать на другую.

"Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не сможете подключить их все вместе. Намного разумнее для датчиков, чтобы они имели возможность генерировать свою собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства", - говорит Бауэр.

Авторство: 
Авторская работа / переводика
Комментарий автора: 

Интересно, что обошлось без драгметаллов и редкозёмов. По идее,  целый класс устройств можно перевести на самообеспечение по электроэнергии. Вполне возможно, это электронные часы, беспроводные датчики, КИП, видеокамеры, радиомаяки и т.д. Для утилизации низкопотенциального тепла с пользой, вполне возможно, данная технология окажется более удачной, чем солнечные батареи и ветряки.

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя Просто Владимир

И что , эта штука не масштабируется ? Странно..frown

Скрытый комментарий zelya (c обсуждением)
Аватар пользователя zelya
zelya(5 лет 3 недели)(14:59:10 / 09-12-2019)

скорее всего как и фотоэффект - мало энергии на себестоимость.

был давнишний фантастический рассказ про подводную лодку пионер, там термоэлементы на доли градусов давали большую энергию, и написан он как бы до 1940гг.

но воз и ныне там.

по принципу парето 80% эффективности достигается за 20% усилий и в принципе надо вовремя остановиться. ибо последующие 20% эффективности за 80% затрат сожрут весь эффект предыдущих затрат и всё равно не достигнут уровня самоокупаемости.

Аватар пользователя Veritas
Veritas(3 года 8 месяцев)(17:45:37 / 10-12-2019)

Никакого Паретто не существует и его принципа тоже.

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(15:00:02 / 09-12-2019)

Почему не масштабируется ? По толщине нет, а по площади - да.

Аватар пользователя Провинциал.
Провинциал.(9 месяцев 1 неделя)(14:45:44 / 09-12-2019)

И КПД этого устройства?

Не думаю что выше 1%. Хотя если 1% это уже хорошо, на земле много низкопотенциального тепла.

Аватар пользователя burunduk
burunduk(1 год 7 месяцев)(14:49:47 / 09-12-2019)

хрень ето, особенно если низкопотенциальное тепло.

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(14:49:47 / 09-12-2019)

Блин, это чисто теоретическая фигня. Очень, очень интересная для теории, практически бесполезная сейчас (но перспективная после исследований) для существующих приложений термогенераторов и абсолютно бесполезная для новых применений.

Элементы Пельтье (или в обратную сторону - Зеебека) есть и сейчас. Практический КПД при доступных температурах там порядка 5% в лучшем случае. Будет 7 или даже 10% - это на распространённость технологии почти никак не повлияет (особенно, с учётом цены за ватт).

Никакой масштабной генерацией энергии тут пока и не пахнет, тем более - генерации на малых перепадах.

 

Аватар пользователя burunduk
burunduk(1 год 7 месяцев)(14:53:18 / 09-12-2019)

если в 2.5 раза будет лучше охлаждать определенный смысл есть.

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(17:21:27 / 09-12-2019)

Для имеющихся приложений - да.

Но этого недостаточно, чтобы пельтье начали применять там, где не применяют сейчас.

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(2 года 6 месяцев)(17:46:09 / 09-12-2019)

все що мной видено... это холодильники для процессоров в сногопроцессорных системах (ширше для электроники) на эффекте петелье...

 

PS

Насколько мне известно там не только КПД низкий, но даже термодинамическая эффективность цикла отношение достигнутого КПД, к теоретическому (рассчистанному по формуле Карно) - весьма низкая

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(18:06:37 / 09-12-2019)

Угу.

Аватар пользователя Repentant
Repentant(4 года 4 месяца)(15:29:01 / 09-12-2019)

Важен не скачок в 2 раза, а то, что освоен принцип «смешивания» материалов. Теперь методом научного тыка доведут технологию до неплохих показателей, чтоб расширить область применения.

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(17:57:07 / 09-12-2019)

Блин. :) Как будто тут были какие-то новости.

Это же самые азы, которые физик-старшекурсник, даже не аспирант, скажет спросонья. "Принцип" понятен давно, с конца 50-х: нужна система "фононное стекло-электронный кристалл". Как этого достичь в массовом продукте - это очень отдельный и очень сложный вопрос. 

Собссно, нет особых сложностей прямо сейчас соорудить наноструктуру, которая будет офигительно хороша... но нужен способ производить из массово. Вот тут и затык.

Аватар пользователя Свой1
Свой1(6 месяцев 5 дней)(15:31:44 / 09-12-2019)

Почему теоретическая?

Она 150$ стоит и прекрасно продается

 

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(17:22:13 / 09-12-2019)

Потому что конкретный материал крайне неудобен.

Я не про пельтье/зеебека в целом, а про конкретную статью.

Аватар пользователя Просто Владимир

Можно положить на КПД, если энергия дармовая..

Один фиг , всё ради энтропии существует.

Если технология дёшева и можно получать экологически чистую энергию (не страдает человек), то проблем не должно быть.frown

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(2 года 6 месяцев)(17:48:51 / 09-12-2019)

Можно - но окажется что само устройство требует материалов, которые получаются с исаользованием энергии на предыдущих этапах экономического цикла...И полученная энергия не покрывает энергетичекой цены материалов... 

Аватар пользователя Vavilon
Vavilon(3 года 10 месяцев)(17:25:18 / 09-12-2019)

Утилизировать 10% от теряемой тепловой энергии ДВС - это поднять полезную мощность на треть и избавиться от генератора в автомобиле.

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(18:00:51 / 09-12-2019)

Это не так просто. Практический КПД на ДВС будет в несколько раз меньше КПД преобразователя, а у того КПД и так меньше теоретического для данного материала. Причём, там сразу же встаёт куча практических заморок типа массы на ватт и цены на ватт.

Но в принципе такие работы есть - итальянцы работали на "Фиате" в нулевых. У них всё получилось (мощность генератора была порядка полкиловатта), но по цене не прошло.

По цене там, кстати, непросто - порядка 4-5$/Вт сейчас. По массе - совсем плохо.

Аватар пользователя alex_midway
alex_midway(7 лет 11 месяцев)(14:50:11 / 09-12-2019)

Из статьи ничего не ясно по размерам. Не уверен что можно будет создать малогабаритный источник электричества даже для датчика.

Аватар пользователя Эпиграмма
Эпиграмма(3 года 5 месяцев)(14:50:22 / 09-12-2019)

Теперь осталось покрыть этим сплавом теслу и потом сверху ее подогревать калорифером от ТЭЦ, а снизу остужать холодильнкиом от АЭС.

Аватар пользователя mmx
mmx(4 года 4 месяца)(14:57:25 / 09-12-2019)

Сразу видно инженерную жилку! yes

Аватар пользователя Дядя Миша
Дядя Миша(2 года 10 месяцев)(14:53:01 / 09-12-2019)

Про то,как обеспечить устойчивую разность температур - ни слова.

Аватар пользователя DeimonAx
DeimonAx(3 года 8 месяцев)(15:01:48 / 09-12-2019)

Да чего там! Процессор греется? Греется! Помещаем его в вечную мерзлоту и - вуа ля!

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(2 года 6 месяцев)(17:50:35 / 09-12-2019)

Биткойномайнеры замерли в нетерпении - как бы перенести свом фермы на просторы колымы...

Аватар пользователя mmx
mmx(4 года 4 месяца)(14:54:43 / 09-12-2019)

Вполне возможно, это электронные часы, беспроводные датчики, КИП, видеокамеры, радиомаяки и т.д.

Разве что наручные электронные часы - за счет постоянно имеющегося нагревателя в виде человека. И то, в каких-нибудь тропиках внезапно халява может закончиться.  Все остальное сможет стабильно работать 24/7 только если к чему-то постоянно греющемуся прилеплено. А значит вместо "чудо-чудо" будет просто еще одна узкая ниша.

Аватар пользователя Repentant
Repentant(4 года 4 месяца)(15:30:45 / 09-12-2019)

А если в речку зимой кинуть?

Аватар пользователя mmx
mmx(4 года 4 месяца)(15:34:51 / 09-12-2019)

А нафиг нам в речке зимой камера или датчик? laugh

Аватар пользователя mumba
mumba(2 года 8 месяцев)(15:04:00 / 09-12-2019)

Т.е. на перепаде температур воды и воздуха, воды и почвы, почвы и воздуха можно электричество добывать?!

И даже на разнице температур снаружи/внутри помещения???!!!

Занятно...

Аватар пользователя hostas
hostas(8 лет 1 месяц)(15:15:13 / 09-12-2019)

Рекорд, конечно рекорд, но все это где-то на дне. И мощности микроскопические.

Интересно, а деградация этого материала как быстро происходит ?

Я не из Эстонии ))

Аватар пользователя hostas
hostas(8 лет 1 месяц)(15:14:26 / 09-12-2019)

del

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(15:14:46 / 09-12-2019)

Если речь будет идти хотя бы о десятках ватт на квадратный метр, то

1) На бытовой котёл - для обеспечения энергонезависимости циркуляционного насоса и зажигания (с аккумулятором).

2) Электричество для туристов, МЧС, когда в труднодоступных местах нет батареек.

3) Тепловыделений на производстве полно - на освещение может хватить.

4) Вместо (вместе) с теплоизоляцией при строительстве - снижение затрат электроэнергии.

Аватар пользователя mmx
mmx(4 года 4 месяца)(15:43:57 / 09-12-2019)

4) Вместо (вместе) с теплоизоляцией при строительстве - снижение затрат электроэнергии.

Это ж фактически намеренно сделать "дыру" в теплоизоляции помещения через которую тепло будет утекать изнутри (или наоборот, снаружи притекать). Тоже самое что ветрогенератор на самолет прилепить. Хотя там их и лепят ради пущей безопасности, но все же складные:

 

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(15:59:15 / 09-12-2019)

Согласитесь, это разумнее, когда перетоп идёт и люди окна настежь открывают, не выбрасывать тепло просто так.

Аватар пользователя mmx
mmx(4 года 4 месяца)(16:06:11 / 09-12-2019)

Окно это управляемый элемент теплового контура, кроме того и необходимость вентиляции никто не отменял. А "дыра" в теплоизоляции здания будет круглый год работать, независимо от "перетопа" или "недотопа".

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(16:37:45 / 09-12-2019)

Что мешает "дырой" управлять аналогично ? Будут расчетные коэффициенты теплопередачи в пассивном и активном режиме - посчитаем. В старых домах, где ненормативные наружные ограждения и холодные стены, вообще сам бог велел что-то подобное сделать, а не просто сайдингом зашивать.

Аватар пользователя Тех Алекс
Тех Алекс(4 года 7 месяцев)(17:43:05 / 09-12-2019)

Светящийся ярлык на шубе, вот во что я верю. Это сбудецца, а сады на Марсе обождут.

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(2 года 6 месяцев)(17:55:15 / 09-12-2019)

А для туристов нельзя конистру соляры и бензогенератор запасти? или искать легкие пути - не наш метод

 

Очень я сомневаюсь что мощности системы хватит чтобы киловаттный насос запитать... А если учесть  что котел работает в периодическом режиме, то окажется что нужен аккумулятор, плюс  частотник...

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(18:05:48 / 09-12-2019)

Киловаттный насос? Это от души. :)

Хотя можно и киловатт - только плати. Сейчас цена зеебека - порядка 4$/Вт.

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(21:27:40 / 09-12-2019)

Ну у Вас масштабы ! Я туристов с рюкзаками имел ввиду в лесу или в горах - куда им генератор ? Циркуляционник в коттедже - десятки ватт от силы (аккум, соответственно, маленький). Котёл не газовый - он теплоизолирован, да и не греется особо. А на угольный - вполне, хоть общий кпд поднимется.

Аватар пользователя Simurg
Simurg(2 года 11 месяцев)(18:04:20 / 09-12-2019)

1. Есть такие штуки (даже в России делают). Но цена за Ватт Вам не понравится.

2. Есть такие штуки. Некоторые берут в походы, но, КМК, сейчас солнечные батареи сверху рюкзака будут и проще и дешевле: они сами по себе работают пока солнце светит, внимания не требуют.

3. Таких, чтобы концентрированное тепло пёрло - вовсе не полно. И цена, цена за ватт.

4. Не. С нынешними технологиями бессмысленно целиком и полностью.

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(21:32:05 / 09-12-2019)

В "зелёных" масштабах - само собой не попрёт. А как дополнение и для решения локальных задач, которые я описал. Тепловой градиент более устойчив во времени, чем ветер или солнечность.

Аватар пользователя st251
st251(3 года 4 месяца)(15:19:35 / 09-12-2019)

термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека

Так материал уже есть или это ляля?

Аватар пользователя petrostov
petrostov(5 лет 5 месяцев)(18:35:59 / 09-12-2019)

Такие материалы существуют со средины 20 века. Речь идет об эффективности. Понятно что речь идет не о киловаттах, но разница в 100 ватт уже существенна. Ушел  зимой на работу, положил или приставил пластину к батарее (положил на АГВ) и заряжай что там тебе надо. Например, аккумулятор на шуруповерт. Про рыбаков охотников я даже не говорю.

Аватар пользователя st251
st251(3 года 4 месяца)(20:38:42 / 09-12-2019)

спасибо, кэп! 

материалы с эффектом заебека известны и имеют zx до 2. эти же учоные ляля про  zx 6 или они этот матертал ужо пощупали? вот в чем был вопрос.... 

Аватар пользователя просто пользователь

Интересно, что обошлось без драгметаллов и редкозёмов.

Вольфрам и ванадий в каждом огороде валяется?

ПС. Несовсем корректно говорить про редкозёмы. Нужно говорить про редкие и рассеянные элементы.

Аватар пользователя Mike1975
Mike1975(1 год 2 месяца)(16:01:09 / 09-12-2019)

Редкозёмы - совершенно определённый список элементов и ванадий с вольфрамом к ним не относятся. Алюминий тоже не валяется и что ?

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(2 года 6 месяцев)(17:56:30 / 09-12-2019)

ну ванадия по сравнению с вольфрамом- просто завались... а вот вольфрама 

Аватар пользователя Писатель
Писатель(1 год 9 месяцев)(15:26:53 / 09-12-2019)

Если КПД ТП достигнет 30 % можно будет сделать вечный двигатель.

Аватар пользователя просто пользователь

Если удастся найти вечную разность температур

Страницы

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...