Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
8 декабря 2016, четверг, 15:02
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

09 октября 2014, 08:00

Термоэлектричество: современность

Кристаллы теллурида висмута (материала, использующегося для создания элементов Пельтье) под электронным микроскопом
Кристаллы теллурида висмута (материала, использующегося для создания элементов Пельтье) под электронным микроскопом
Wikimedia Commons

Термоэлектрическая генерация может стать серьезным конкурентом других способов получения электроэнергии. Для этого потребуется поднять КПД термоэлектрических генераторов с 10÷13% до 20÷30%, что возможно при помощи разработки полупроводниковых термоэлектрических материалов нового поколения, а также за счет конструктивных решений, повышающих удельно-весовые мощностные характеристики. Активно занимаются поисками новых решений в области термоэлектричества и три компании-резидента Фонда «Сколково»: ООО «СмС тензотерм Рус», ООО «Метемп», ООО «ФЕМТОИНТЕХ». О современном состоянии проблемы, новейших разработках и интересах потребителя – в предлагаемой вашему вниманию статье.

В первой части нашего рассказа речь шла об открытии термоэлектрических явлений: эффекта Зеебека и эффекта Пельтье. Теперь пришла очередь поговорить о современных разработках в этой области. Кратко напомним, что эффект Зеебека состоит в появлении электрического тока при перепаде температур на противоположных сторонах термоэлектрического материала, а эффект Пельтье – наоборот, в охлаждении или нагревании сторон материала при пропускании электрического тока. Наиболее известны устройства на элементах Пельтье – термоэлектрические охладители.

Сейчас на основе элементов Пельтье создают, например, автомобильные холодильники, которые работают от электрической сети машины. Есть даже небольшие устройства, которые можно через USB-порт подключить к персональному компьютеру и охладить в них, например, пиво в жестяной банке.

USB-охладитель напитков на основе элемента Пельтье

Конечно, у элементов Пельтье есть и более серьезные задачи. Они охлаждают микросхемы во многих электронных устройствах, ПЗС-матрицы в инфракрасных датчиках (например, в приборах ночного видения и цифровых камерах), полупроводниковые лазеры. Приборы, в которых проходит столь важная для современных исследований в молекулярной биологии полимеразная цепная реакция (ПЦР), также используют для охлаждения элементы Пельтье. Разные стадии ПЦР должны проходить при температурах более 90°, 70° – 72° и около 60°. При этом цикл повторяется много раз. Чтобы быстро охладить пробирки с образцами с 90° до 70°, требуется помощь элемента Пельтье.

Эффект Зеебека, как мы помним, использовался партизанами Великой Отечественной войны, чтобы подзаряжать батареи радиопередатчика от костра. Теперь же термоэлектрогенераторы отправились далеко в космос. И на марсоходе Curiosity, и на межпланетном аппарате Cassini, и на станции New Horizons, которая эти летом пересекла орбиту Нептуна и устремилась к Плутону, источником электроэнергии служат радиоизотопные термогенераторы. Тепло, необходимое для появления разности температур, в них выделяется при распаде радиоактивного плутония-238. Например, работу Cassini обеспечивают целых три термоэлектрогенератора, каждый из которых содержит по 11 килограммов плутония-238.

Сейчас производят и предназначенные для туристов приборы, позволяющие подзарядить при помощи костра свой телефон. Но на термоэлектричество обращают пристальное внимание и крупные компании, выпускающие технику, снабженную двигателями внутреннего сгорания. В таких двигателях, например, в автомобилях выделяется достаточно много тепла, и расходуется это тепло совершенно зря. Если использовать его для генерации электроэнергии, автомобиль станет куда более экономичным. Пока термоэлектрические генераторы устанавливают в экспериментальных образцах. Но концерн BMW намерен уже ближайшие годы начать их применение в серийных автомобилях.

Есть и еще одна сфера, где работает эффект Зеебека. Это разнообразные тензорезисторы, датчики давления и температуры. Температурные датчики, основанные на возникновении электрического тока при нагревании, оказались очень точны, а размер их весьма мал. Определение потерь тепла в различных производствах, регистрация тепловыделения животными и растениями в биологических опытах – все это случаи, где применяют такие датчики. Сейчас становятся все более востребованными технологии Energy Harvesting, основанные на использовании маломощных автономных электронных устройств, которые работают, не требуя замены батареи. От термоэлектрических генераторов получают энергию беспроводные датчики, сенсоры, системы контроля параметров и передачи информации в труднодоступных или подвижных частях оборудования. Еще одна сфера применения – системы управления отоплением помещений внутри дома и снятия показаний с различных счетчиков учета расходуемых ресурсов («умный дом»).

Конечно, технологии термоэлектричества шагнули далеко вперед с тех пор, как партизаны в лесах заряжали у костров аккумуляторы для радиопередатчиков. Но есть и большие перспективы для их развития. КПД «партизанского котелка» составлял не более 2%, у современных многокаскадных термогенераторов он равен примерно 13%, а в недалеком будущем с разработкой новых полупроводниковых материалов его рассчитывают поднять и до 20% и более. Тогда термоэлектричество станет серьезным конкурентом других способов получения электроэнергии.

Создатели новых термоэлектрических генераторов стремятся заставить их работать при более высоких температурах. Особенно это важно, если мы хотим применить эту технологию, например, в автомобиле. Увы, обычно вещество, которое хорошо проводит электричество, хорошо проводит и тепло. Когда тепло распространяется по веществу, разница температур между холодной и горячей частями генератора снижается, а, как установил еще сам Зеебек, эффект пропорционален разнице этих температур. С общим нагревом, эффективность генератора падает. Чтобы победить теплопроводность, надо получать новые материалы, структура которых на наноуровне придает им необходимые свойства.

Активно используют термоэлектрогенераторы в нефте- и газодобыче. Там для выработки электроэнергии можно использовать даровое тепло от сжигания попутного газа. Устройства обеспечивают работу разнообразных систем дистанционного контроля, телемеханики и других аппаратов, которые должны долго функционировать без обслуживания людьми в отдаленных и труднодоступных районах.

Несколько компаний-резидентов «Фонда Сколково» занимаются проблемами термоэнергетики. ООО «СмС тензотерм Рус» занято созданием устройств на основе сульфида самария (SmS). Благодаря свойствам этого вещества они должны превзойти имеющиеся аналоги по целому ряду параметров. В планах компании разработка как термоэлектрических генероторов, так и охлаждающих устройств, и тензодатчиков.

«Несмотря на то, что наши разработки находятся на стадии научных исследований, у нас уже есть первые результаты и они весьма обнадеживающие, - рассказал Полит.ру директор «Смс Тензотерм» Андрей Молодых. - Измерения показывают, что у нас высокий коэффициент полезного действия. Принципиальное отличие нашего термогенератора от существующих в том, что он работает без создания искусственного градиента температур. Обычно термоэлектрика работает так: на одном конце холодно, на другом - горячо. За счет этого возникает электродвижущая сила и появляется входное напряжение. В наших устройствах этого нет - принудительного охлаждения или специально созданного градиента температур не требуется».

По словам Молодых, в настоящее время компания проводит исследования в области градиента концентрации. «Мы создаем образцы с большим градиентом концентраций и тем самым получаем выходное напряжение при равномерном нагреве. Сейчас все усилия брошены на то, чтобы изучить технологические возможности создания более резкого градиента концентраций за счёт применения всевозможных легирующих примесей», - говорит он.

По мнению директора «СмС Тензотерм», разработки компании могут применяться во всевозможных отраслях. «В первую очередь мы сконцентрированы на создании термоэлектрогенераторов для автономных источников питания, - отмечает он. - Это необслуживаемые источники питания, которые могут быть установлены на маяки и метеостанции. Во-вторых, их использование возможно в автомобильной промышленности - для утилизации вторичного тепла, которое возникает в автомобилях. Нашими разработками уже заинтересовался АВТОВАЗ, а также BMW, которая намерена использовать термоэлектрогенератор для создания серийного гибридного автомобиля. Кроме этого, он может быть использован в атомной энергетике для утилизации вторичного тепла».

«Грант, полученный нами от Сколково, позволил приобрести недостающее оборудование, благодаря которому мы можем намного качественнее и значительно с большей скоростью проводить эксперименты, отмечает специалист. - Кроме того, Сколково также привлекает нас ко всевозможным мероприятиям, как в рамках фонда, так и в России и за рубежом. В частности, в этом году мы смогли поучаствовать в выставке Hannover Messe. Фонд всячески помогает в продвижении нашего проекта, предоставляя таким образом возможность знакомиться с потенциальными инвесторами или партнерами для развития наших исследований».

Созданием новых термоэлектрических материалов занимается компания «Метемп». Ее продукция должна будет работать при высоких температурах. Повышенная эффективность новых материалов достигается работой с их структурой на наноуровне. Основатель компании «Метемп» - резидента Фонда «Сколково», сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрей Воронин рассказывает о создании компании на базе Национального Исследовательского Технологического Университета «МИСиС»: «Исследования термоэлектрических материалов для университета не является новым, большей частью работы были направлены на основной термоэлектрический материал - сплавы на основе висмута, теллура и сурьмы. Этот материал в свое время открыл наш соотечественник Абрам Федорович Иоффе, что послужило отправной точкой внедрения термоэлектричества как явления в нашу жизнь. Этот материал позволил массово создавать устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую и обратно прямым способом.

Сейчас теллурид висмута является доминирующим на рынке. Именно он работает в автомобильных холодильниках, кулерах с водой и простых устройств генерации энергии от источников тепла (до 250 С). Наш коллектив нацелен на создание материалов, которые способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в самом широком диапазоне температур».

Превращать в электроэнергию можно тепло от различных источников, например, от выхлопных газов автомобилей, температура которых достигает 800 С: «Создаются устройства, преобразующие это тепло в электроэнергию, которая возвращается в аккумуляторную батарею автомобиля. В итоге это приводит к экономии топлива. Другое перспективное направление применения термоэлектричества - электроснабжение удаленных объектов. Сейчас мы можем зарядить свой телефон на берегу озера Байкал от костра, но и только. Мы работаем над материалами, которые способны вырабатывать больше энергии, чем это может сделать применяемый сейчас на рынке туллурид висмута. Сейчас подобные материалы находят только специальное применение, так, например, знаменитый марсоход Curiosity получает энергию только от термоэлектрического генератора, источником тепла в котором является радиоактивный изотоп. Но эффективность такого преобразования не достигает и 10%», - поясняет Воронин.

По мнению специалиста, при создании более эффективного материала многие отрасли экономики изменятся: исчезнут фреоновые холодильники, радикально повысится эффективность двигателей внутреннего сгорания и появятся универсальные устройства генерации энергии в любых условиях.

Коллектив ООО «Метемп» проводит исследования материалов на основе оксидов, сплавов Гейслера, скуттерудитов, сплавов кремний-германий. «Все эти материалы эффективно могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую в различных диапазонах, вплоть до 1100 С в случае сплавов на основе кремния и германия, - уточняет Андрей Воронин. Технологическая база НИТУ «МИСиС» позволяет создавать необходимые структуры, вплоть до наноструктурированного материала. Именно эффект наноструктурированния позволяет создавать центры рассеяния фононов, что значительно снижает теплопроводность и повышает эффективность материалов». 

Нас не интересуют исследования ради исследований, наша цель - создание новых продуктов на основе эффекта термоэлектрического преобразования энергии. Именно по этой причине мы обратились с заявкой на статус участника Фонда «Сколково» и проект был поддержан. Статус резидента открывает свободный доступ к людям, которые вдохновляют, критикуют, инвестируют. Так проектом заинтересовались крупные автопроизводители. 

«Недавно вернулся с крупнейшей в Европе конференции по термоэлектричеству, которая подтвердила перспективность применяемых нами подходов и используемых материалов, - делится впечатлениями основатель ООО «Метемп». - Конференция также подтвердила, что радикального прорыва пока не произошло, а это значит, что ставки в погоне за эффективным материалом возрастают. Мы в игре».

Полупроводниковые материалы для генерации создает ООО «ФЕМТОИНТЕХ». Они будут использовать для своей работы тепло автомобильных выхлопных газов, а также низкопотенциальное тепло промышленных тепловых выбросов.

«В настоящее время по линии Сколково мы разрабатываем термоэлектрические материалы повышенной эффективности, - рассказал представитель компании «ФЕМТОИНТЕХ» Анатолий Кузнецов. - Обычно коэффициент добротности термоэлектрических материалов находится на уровне 1,0÷1,2, при этом коэффициент полезного действия генерирующих устройств на основе этих материалов в однокаскадном исполнении равен 4-6 процентам. Мы планируем достичь таких результатов, чтобы КПД составил от 12 до 18%, что будет на порядок выше, чем показатель устройств на материалах, используемых сейчас. В настоящее время в этом же направлении работают американцы и японцы, наши разработки не уступают им или даже немного опережают их разработки».

«В отличие от используемых сейчас теллуросодержащих термоэлектрических материалов, в наших разработках используются материалы, не содержащие теллура, на основе олова, кремния и германия. Теллуросодержащие элементы достаточно ядовиты и довольно неустойчивы в атмосфере воздуха, поэтому они требуют специальных оболочек, отделяющих их от воздействия воздуха. Наши материалы имеют высокую химическую и термическую устойчивость, экологически безопасны и не требуют подобных оболочек. Так как не нужно изготавливать такие оболочки, конструкция устройств на их основе обходится значительно дешевле. В соответствии с этим заметно повышается эффективность создания изделий на основе наших материалов», - отмечает специалист.  

«Наш материал основан на супрамолекулярных соединениях - это композитные клатраты и клатрато-подобные соединения на основе олова, кремния и германия. Рабочие температуры материалов находятся в пределах 150-500 градусов Цельсия. Для повышения термоэлектрических характеристик материалов используются специальные нанодобавки, которые встраиваются в кристаллическую решетку материалов, существенно повышая электропроводность, и снижая теплопроводность, что крайне важно для повышения эффективности полупроводниковых термоэлектрических материалов. Состав и свойства этих материалов и подбор добавок и являются основой наших разработок. Сейчас уже получены показатели добротности на уровне 1,0÷1,2. Мы планируем достичь показателя добротности материала 1,6. Это выше, чем показатели аналогов».

По словам Кузнецова, основной областью применения разрабатываемых термоэлектрических материалов является генерирование электроэнергии с использованием выбросов низкопотенциального тепла, в том числе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также промышленных тепловых выбросов.

«Кроме этого, важной сферой применения термоэлектрогенераторов является оснащение автономным энергопитанием станций катодной защиты и пунктов телеметрии и управления газопроводами в удаленных и труднодоступных местах, где нет линий электропередач, и невозможно обеспечить регулярное обслуживание и ремонт генерирующих устройств.

Термоэлектрогенераторы необходимы для автономного энергоснабжения добывающих платформ на арктическом шельфе. Они представляют собой надежные и долговечные устройства, не требующие дополнительных расходных материалов и регулярного технического обслуживания и ремонта, - объясняет Анатолий Кузнецов. - В условияхсложной геополитической обстановки и возникающих военно-политических и экономических вызовов требуется применение войск быстрого реагирования и десантных подразделений в труднодоступных районах крайнего севера, высокогорья и других районах с экстремально-тяжелыми условиями пребывания, оснащенных источниками энергообеспечения, как индивидуального пользования, так и группового, являющимися при этом мобильными, компактными, малошумными и с большим ресурсом непрерывной работы, не требующими для работы дополнительных расходных материалов».

«Мы очень надеемся на сотрудничество со Сколково. В ближайшее время мы планируем  подавать в Фонд «Сколково» заявку на предоставления гранта для финансирования наших дальнейших исследований.

Нам также хотелось бы, чтобы на наши разработки обратило внимание оборонное ведомство, учитывая номенклатуру и эффективность тех изделий, которые могут быть изготовлены с применением разрабатываемых нами материалов», - подчеркнул Кузнецов.

«Термоэлектрические материалы и генераторы на их основе являются перспективной областью развития энергоэффективных технологий. Вместе с ростом коэффициента термоэлектрической добротности, ростом КПД и снижением удельной стоимости за кВт установленной мощности, термоэлектрические генераторы будут находить все новые области применения включая утилизацию низкопотенциального тепла, использование в автомобилестроении и, возможно, даже в солнечной энергетике как способ утилизации тепла от солнечных панелей, – комментирует руководитель направления «ВИЭ и новые материалы» Кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково» Юрий Сибирский. – Мы надеемся, что разработки наших резидентов будут способствовать технологическому прорыву в этой области и созданию новых рынков».

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.