Термоэлектрик батареи: Электрическая система отопления TermoElectric™ | Отопление | Каталог | ООО Техэтаж – Термоэлектрогенератор — Википедия — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

Электрическая система отопления TermoElectric™ | Отопление | Каталог | ООО Техэтаж

Новинка! Электрическая система отопления TermoElectric™ (Владивосток) Новинка!

Электрическая система отопления TermoElectric™ — новейшая российско-немецкая разработка в области энергоэффективного обогрева помещений. Не требует прокладки труб, обслуживания и постоянного присмотра. Не содержит жидкости, что исключает возможность перемерзания.

Компаунд на основе кремнийорганической глины с углеродным композитом в качестве нагревательного элемента: высокая теплоёмкость и, как следствие, крайне низкий расход электроэнергии (около 16 Вт/ч на 1 м^2) при высоком уровне тепловой мощности. Полностью бесшумная работа.

Нагрев не выше 85С — система безопасна и не сушит воздух. Обладает степенью защиты IP65 — полная пылезащищённость и влагозащищённость (безопасность при попадании водяных струй с любого направления). Быстрый и простой монтаж (радиатор + терморегулятор, соединённые электрическим кабелем, ведущим к электрощиту).

Автоматическая работа системы поддерживается за счёт терморегулятора, монтируемого в стену на расстоянии не менее 1,5 м от нагревательной поверхности, что позволяет объективно измерять и регулировать температуру в комнате. Автоматический обогрев программируется по дням недели с терморегулятором, поставляемым в комплекте. Возможен монтаж с любыми видами терморегуляторов, в том числе с Wi-Fi или GPS модулем. Подходит для систем «умного дома».

Общие характеристики:

Напряжение сети 220В
Температура нагрева (внешнего оребрения) не превышает + 85С
Класс защиты IP 65
Гарантийный срок эксплуатации 15 лет

Warmer — электрические радиаторы. Производитель, г. Новосибирск

Представляем Вашему вниманию инновационную энергоэффективную систему отопления на основе электрических безжидкостных радиаторов Термал, а также предлагаем сотрудничество в её реализации.
Система WarmerTM — собственная разработка российско-немецкой компании «Taenke» при участии учёных новосибирского Академгородка. Прежде всего, система разрабатывалась как более доступная, удобная и надёжная в эксплуатации альтернатива электрокотлам и конвекторам, газовой системе отопления.

Вся система отопления состоит из двух элементов, соединенных обычным электрическим кабелем (3×2.5 мм2). Дома тепло, и ремонт не испорчен — изящное решение для ценителей комфорта.

За счет чего экономия?

Радиатор представляет собой алюминиевый радиатор с запрессованным в каждую секцию теплоемким сердечником и интегрированным в него нагревательным элементом (собственная разработка компании «Warmer»):

нагревательный элемент — углеродный композит
повышенной тепловой мощности
работает 15−20 минут в час
без каких-либо жидкостей
Расположение нагревательного элемента — непосредственно в секциях радиатора, что сводит на «нет» теплопотери при «транспортировке» теплоносителя в классических схемах:

котел — трубы/магистраль/теплообменник (радиатор)

Это относится ко всем системам, где есть «котел» (газовый, электрический, твердотопливный)

ОЦЕНИТЕ
УДОБСТВО И КОМФОРТ
ОТ ТЕРМОЭЛЕКТРИК

Не нужно отдельное помещение
Не нужно прокладывать трубы
Нет необходимости в складе топлива
Быстрый и легкий монтаж
Степень защиты IP 65
Полностью автоматическая работа системы
Индивидуальная температура в каждой комнате
Бесшумность работы
Мобильна — можно переносить на другие объекты
Дольше всех сохраняет тепло
Можно задать разную температуру на разное время.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ — это… Что такое ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ?

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ: ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ, устройство, используемое для измерения теплового излучения, состоящее из нескольких ТЕРМОПАР, соединенных последовательно. Каждое второе соединение зачерняется для поглощения теплового излучения, остальные ЭКРАНИРУЮТСЯ от ИЗЛУЧЕНИЯ. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩУЮ СИЛУ (ЭДС), которая возникает за счет разницы температур между соединениями, можно измерить. Из полученных величин можно вычислить температуру зачерненных соединений, и отсюда уже определить интенсивность теплового излучения.

ТЕРМОХИМИЯ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Смотреть что такое «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ» в других словарях:

термоэлектрическая батарея — термобатарея — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы термобатарея EN thermoelectric… … Справочник технического переводчика
термоэлектрическая солнечная батарея — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN thermoelectric solar cell … Справочник технического переводчика
Изотопная батарея — Один из радиоизотопных генераторов зонда Кассини Радиоизотопный генератор космического аппарата New Horizons Радиоизотопные источники энергии устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном… … Википедия
Ядерная батарея — Один из радиоизотопных генераторов зонда Кассини Радиоизотопный генератор космического аппарата New Horizons Радиоизотопные источники энергии устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном… … Википедия
Пиранометр — (от греч. pýr огонь, ánō наверху и …метр прибор для измерения суммарной и рассеянной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность. Для измерения только рассеянной радиации применяется экран, затеняющий прибор от прямых… … Большая советская энциклопедия
ТЭБ — Тюменьэнергобанк ОАО http://www.tebank.ru/ г. Тюмень, организация, фин., энерг. Источник: http://is.park.ru/news.asp?dno=3901127&no=117461 ТЭБ транспортно экспедиционная база транспорт Словарь: С. Фадеев. Словарь … Словарь сокращений и аббревиатур
БАТАЛИНСКАЯ ГОРЬКАЯ ВОДА — БАТАЛИНСКАЯ ГОРЬКАЯ ВОДА, получается из каптированного минерального источника в пяти км от Пятигорска. На месте не применяется, а экспортируется (в бутылках). Б. г. в. по крепости занимает среднее место между Apenta и Friedrichshaller. Состав:… … Большая медицинская энциклопедия
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, ТЕРМОЭЛЕМЕНТ херта, представляющие.собой систему стеклянных трубок, наполненных ртутью. Увеличиваясь в объеме при нагревании, ртуть закрывает отверстие, через которое проходит газ, и тем самым уменьшает подачу его в горелки.… … Большая медицинская энциклопедия

Термоэлектрическая батарея

Использование: изобретение относится к электротехнике, а именно к термоэлектрическим приборам на твердом теле, работающим на основе эффекта Пельтье, и может быть использовано в электрических холодильных установках и преобразователях тепловой энергии в электрическую. Сущность: термоэлектрическая батарея содержит ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p-типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно расположенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, соединенные с полупроводниковыми стержнями. Некоторые теплообменные элементы выполнены петлеобразными. У петлеобразного теплообменного элемента первый конец электрически и жестко механически соединен с одним из соседних полупроводниковых стержней, а второй конец электрически и жестко механически соединен с другим из соседних стержней. Петлеобразные теплообменные элементы выполнены незамкнутыми с зазором между концами, соединенными с соседними полупроводниковыми стержнями. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к термоэлектрическим приборам на твердом теле, работающим на основе эффекта Пельтье, и может быть использовано в электрических холодильных установках и в преобразователях тепловой энергии в электрическую.

Известны термоэлектрические батареи, содержащие ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p-типа, расположенных поперечно на расстояниях между собой, расположенные вдоль ряда полупроводниковых стержней в шахматном порядке с противоположных сторон от них коммутационные пластины из электропроводного материала, попарно электрически последовательно соединяющие соседние полупроводниковые стержни разного типа, и теплообменные элементы, соединенные с коммутационными пластинами /1/. Несмотря на малую механическую прочность и высокую хрупкость полупроводниковых стержней, представляющих собой монокристаллы, такие термоэлектрические батареи в целом обладают достаточной механической прочностью благодаря тому, что механические нагрузки, которые могут действовать на них, распределяются между всеми полупроводниковыми стержнями. Но эффективность таких термоэлектрических батарей понижена из-за того, что теплообменные элементы выполнены из электропроводного материала, и во избежание закорачивания электрической цепи через теплообменные элементы они должны быть электрически изолированы от коммутационных пластин посредством слоя электрической изоляции, которая обладает плохой теплопроводностью. Известна также термоэлектрическая батарея, содержащая ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p- типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно расположенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, каждый из которых соединен с двумя соседними полупроводниковыми стержнями, причем теплообменный элемент может быть выполнен петлеобразным с первым концом электрически и жестко механически соединенным с одним из соседних полупроводниковых стержней и вторым концом электрически и жестко механически соединенным с другим из соседних полупроводниковых стержней /2/. Концы каждого петлеобразного теплообменного элемента такой термоэлектрической батареи замкнуты и жестко соединены между собой. В этой термоэлектрической батарее улучшена эффективность работы благодаря теплопередаче непосредственно между полупроводниковыми стержнями и теплообменными элементами, которые одновременно выполняют функции электрических проводников, электрически последовательно соединяющихся между собой полупроводниковые стержни. Однако из-за малой механической прочности и высокой хрупкости полупроводниковых стержней, через каждый из которых передаются все нагрузки при изгибе, сжатии и растяжении, такая термоэлектрическая батарея при чрезмерно большой жесткости обладает малой прочностью и может разрушаться не только под воздействием вибраций и внешних нагрузок при работе, но даже под действием собственного веса в процессе сборки. Целью изобретения является создание высокоэффективной термоэлектрической батареи, обладающей высокой механической прочностью, а также облегчение сборки такой термоэлектрической батареи. Эта цель достигнута тем, что в термоэлектрической батарее, содержащей по меньшей мере один ряд чередующихся полупроводниковых стержней n-типа и p- типа, расположенных продольно на расстоянии между собой, и поперечно расположенные межу ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, каждый из которых соединен с двумя соседними полупроводниковыми стержнями, причем по меньшей мере один теплообменный элемент выполнен петлеобразным с первым концом, электрически и жестко механически соединенным с одним из соседних полупроводниковых стержней, и вторым концом, электрически и жестко механически соединенным с другим из соседних полупроводниковых стержней, согласно изобретению указанный петлеобразный теплообменный элемент выполнен незамкнутым с зазором между концами, соединенными с соседними полупроводниковыми стержнями. Такое выполнение термоэлектрической батареи позволяет уменьшить ее жесткость и разгрузить полупроводниковые стержни от передачи большей части механических нагрузок, которые воспринимаются упруго деформируемыми петлеобразными теплообменными элементами, в результате чего повышена прочность термоэлектрической батареи в целом. При этом общее электрическое сопротивление термоэлектрической батареи с незамкнутыми петлеобразными теплообменными элементами, выполняющими функции электрических проводников между соседними полупроводниковыми стержнями, практически не увеличено благодаря хорошей электропроводности материала теплообменных элементов. Каждый незамкнутый петлеобразный теплообменный элемент может быть выполнен из двух частей, жестко соединенных со стороны, противоположной его концам, соединенным с соседними полупроводниковыми стержнями. Такое выполнение облегчает сборку термоэлектрической батареи при ее изготовлении. Термоэлектрическая батарея может быть снабжена по меньшей мере одним кожухом, охватывающим полупроводниковые стержни и концы теплообменных элементов, соединенные с полупроводниковыми стержнями. Такое выполнение термоэлектрической батареи улучшает ее эксплуатационные качества благодаря дополнительному повышению ее прочности. Указанный кожух может быть выполнен с пазами для прохода концов теплообменных элементов, соединенных с полупроводниковыми стержнями, и снабжен установленными в пазах уплотнителями. Такое выполнение кожуха облегчает сборку частей термоэлектрической батареи при ее изготовлении и улучшает эксплуатационные качества термоэлектрической батареи благодаря герметизации полупроводниковых стержней. На чертеже показана термоэлектрическая батарея в продольном разрезе. Термоэлектрическая батарея содержит ряд чередующихся полупроводниковых стержней разного типа, а именно стержни 1 n-типа и стержни 2 p-типа. Стержни 1 и 2 расположены продольно в ряд на расстоянии между собой. Между стержнями 1, 2 поперечно расположены теплообменные элементы 3, 4 из электро- и теплопроводного материала, например, из меди или сплава на основе меди. Теплообменные элементы 3 выполнены петлеобразными и расположены с одной стороны от ряда полупроводниковых стержней 1, 2, а теплообменные элементы 4 расположены с другой стороны от ряда полупроводниковых стержней 1, 2. С крайними полупроводниковыми стержнями соединены электрические проводники 5, 6, предназначенные для соединения термоэлектрической батареи с источником постоянного напряжения (не показаны). Петлеобразные теплообменные элементы 3 выполнены незамкнутыми с зазором m между концами 3a и 3b. Первый конец 3a теплообменного элемента 3 электрически и жестко механически соединен с одним из соседних полупроводниковых стержней со стержнем 2, например, припаян к нему, второй конец 3b теплообменного элемента 3 таким же образом электрически и жестко механически соединен с другим из соседних полупроводниковых стержней со стержнем 1. Каждый теплообменный элемент 4 выполнен из двух частей 4′, 4», которые своими концами 4a, 4b, электрически и жестко механически соединенными между собой, например, припаяны один к другому. Конец 4a первой части 4′ теплообменного элемента 4 электрически и жестко механически соединен с полупроводниковым стержнем 1, например, припаян к нему, конец 4b второй части 4» теплообменного элемента 4 таким же образом электрически и жестко механически соединен со следующим соседним полупроводниковым стержнем 2, и т.д. Каждый теплообменный элемент 3 выполнен из двух частей 3′ и 3» которые жестко соединены между собой, например припаяны одна к другой, со стороны 3c, противоположной концам 3a, 3b. Каждая часть 3′, 3» выполнена в виде пластины из листового материала. Части 3′, 3» имеют одинаковую толщину. Боковые стороны теплообменных элементов 3, 4 выполнены плоскими и расположены на одинаковых расстояниях межу собой, приблизительно равных расстояниям между плоскими боковыми сторонами соседних теплообменных элементов. Термоэлектрическая батарея, кроме описанных выше полупроводниковых стержней 1 n-типа, полупроводниковых стержней 2 p-типа, теплообменных элементов 3, 4 и электрических проводников 5, 6, содержит также кожух 7 из электро- и теплоизоляционного материала, например, из пластмассы, охватывающий полупроводниковые стержни 1, 2 и концы 3a, 3b, 4a, 4b теплообменных элементов 3, 4, соединенные с полупроводниковыми стержнями. Кожух 7 выполнен с пазами 8 для прохода концов 3a, 3b, 4a, 4b теплообменных элементов 3, 4. В пазах 8 установлены уплотнители 9. Теплообменные элементы 3 и 4 могут быть выполнены с жалюзийными просечками 10, 11 или другими средствами интенсификации процесса теплообмена. Сборку термоэлектрической батареи производят в следующей последовательности. Сначала спаивают между собой концы 4a, 4b частей 4′, 4» каждого теплообменного элемента 4, и к каждому теплообменному элементу 4 с двух сторон припаиваются одними своими торцами полупроводниковые стержни 1 и 2. Затем к другим торцам полупроводниковых стержней 1 и 2 припаивают отдельные части 3′, 3» теплообменных элементов 3 и припаивают к крайним полупроводниковым стержням электрические проводники 5 и 6. Полученные узлы вставляют в пазы 8 кожуха 7. Затем спаивают между собой части 3′, 3» теплообменных элементов 3 со стороны 3c и герметизируют пазы 8 при помощи уплотнителей 9. Термоэлектрическая батарея работает следующим образом. При подключении проводников 5, 6 к источнику постоянного напряжения и протекания тока через электрическую цепь, образованную последовательно соединенными полупроводниковыми стержнями 1, 2 и теплообменными элементами 3, 4, в результате действия эффекта Пельтье происходит нагрев торцoв (не обозначены) полупроводниковых стержней 1, 2, соединенных с теплообменными элементами 3, и охлаждение торцoв (не обозначены) полупроводниковых стержней 1, 2, соединенных с теплообменными элементами 4. Теплообменные элементы 3 нагревают окружающую их первую текучую среду, например, воздух в одном канале (не показан), а теплообменные элементы 4 охлаждают окружающую их вторую текучую среду, например, воздух в другом канале (не показан). Циркуляция текучей среды в каналах может происходить под действием конвекции или при помощи вентиляторов (не показаны). Жалюзийные просечки 10, 11 теплообменных элементов 3, 4 или иные средства интенсификации теплообмена способствуют улучшению теплообмена между теплообменными элементами 3, 4 и текучей средой. При изменении полярности напряжения происходит охлаждение теплообменных элементов 3 и нагрев теплообменных элементов 4. В случае нагрева одних из теплообменных элементов и охлаждении других теплообменных элементов внешним источником тепла создается электрическое напряжение между проводниками 5, 6 благодаря эффекту Зеебека. Изобретение может быть использовано в холодильных и нагревательных устройствах радиоэлектронной аппаратуры, в бытовых холодильниках и кондиционерах воздуха, а также в преобразователях тепловой энергии в электрическую.

Формула изобретения

1. Термоэлектрическая батарея, содержащая по меньшей мере один ряд чередующихся полупроводниковых стержней n- и p-типа, расположенных продольно на расстояниях между собой, и поперечно расположенные между ними теплообменные элементы из электро- и теплопроводного материала, каждый из которых соединен с двумя соседними полупроводниковыми стержнями, причем по меньшей мере один теплообменный элемент выполнен петлеобразным с первым концом, электрически и жестко механически соединенным с одним из соседних полупроводниковых стержней, и вторым концом, электрически и жестко механически соединенным с другим из соседних полупроводниковых стержней, отличающаяся тем, что петлеобразный теплообменный элемент выполнен незамкнутым с зазором между его концами, соединенными с соседними полупроводниковыми стержнями. 2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что незамкнутый петлеобразный теплообменный элемент выполнен из двух частей, жестко соединенных между собой со стороны, противоположной его концам. 3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним кожухом, охватывающим полупроводниковые стержни и концы теплообменных элементов, соединенные с полупроводниковыми стержнями. 4. Батарея по п. 3, отличающаяся тем, что кожух выполнен с пазами для прохода концов теплообменных элементов, соединенных с полупроводниковыми стержнями, и снабжен установленными в пазах уплотнителями.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Новый термоэлектрик оказался в два раза эффективнее предшественников

B. Hinterleitner et al. / Nature, 2019

Ученые нашли семейство веществ с необычайно высокой термоэлектрической эффективностью, то есть способностью превращать тепловую энергию напрямую в электричество. Самое высокое значение оказалось у соединения Fe₂V_0.8W_0.2Al: оно более чем в два раза превышало предыдущие рекорды. Однако оценка параметра проводилась косвенным методом, а само изученное вещество метастабильно, что делает маловероятным широкомасштабные применения конкретно этого материала, пишут авторы в журнале Nature.

Термоэлектрики — это вещества, в которых возникает электрический ток при создании разностей температуры на противоположных сторонах тела. Ненулевой термоэлектрический эффект характерен практически для любых материалов, но в абсолютном большинстве случаев он слишком мал для практического применения. Однако характеристики даже самых лучших современных термоэлектриков, таких как теллурид висмута(III), позволили им стать востребованными лишь в некоторых областях. Вместе с тем потенциал у таких соединений огромен, так как функционирование многих устройств приводит к выделению тепловой энергии, которая обычно рассеивается, а не используется.

Создаваемый термоэлектриками ток зависит от разности температур и коэффициента термоэлектрической эффективности ZT, который зависит от других параметров вещества: ZT = (S²/ρλ) × T, где S, ρ и λ — это коэффициент Зеебека, электрическое сопротивление и коэффициент теплопроводности, соответственно, а T — это температура, при которой соответствующие свойства измеряются. До недавнего времени рекордные значения ZT находились в диапазоне 2,5–2,8.

Входящие в выражение для термоэлектрической эффективности величины не являются независимыми, поэтому их невозможно оптимизировать по отдельности: при улучшении одного показателя скорее всего ухудшится другой. Единственная характеристика, которую можно менять относительно свободно, — это фононная составляющая теплопроводности, которая вместе с электронной определят всю величину. Известно, что уменьшение размеров и размерностей систем уменьшает подвижность фононов и, следовательно, улучшает термоэлектрическую эффективность, поэтому многие исследования направлены на поиск новых материалов среди тонких пленок.

В работе физиков из Австрии, Китая и Японии под руководством Эрнста Байера (Ernst Bauer) из Венского технического университета описано изучение термоэлектрических свойств тонких пленок из веществ с составом Fe₂V_1−xW_xAl. Наилучшие показатели оказались у Fe₂V_0.8W_0.2Al. Для него в экспериментах были измерены входящие в формулу для ZT величины, из которых была вычислена сама эффективность. Она оказалась на уровне 5–6 в зависимости от условий проведения опытов и с учетом ошибок измерений.

Термоэлектрические свойства изученного соединения. a — коэффициент Зеебека, b — электрическое сопротивление c — отношение квадрата коэффициент Зеебека к сопротивлению, d — термоэлектрическая эффективность.

B. Hinterleitner et al. / Nature, 2019

Одной из ключевых особенностей оказалось строение вещества. Трехмерные кристаллы Fe₂V_0.8W_0.2Al обладают кубической гранецентрированной решеткой с одинаковым расстоянием между любыми атомами одного типа. Однако при выращивании пленки на подложке из кремния получалась метастабильная фаза с объемно-центрированной решеткой, в которой никакой регулярности в расстоянии между атомами нет. Такая структура, с одной стороны, хорошо проводит ток, а с другой, ее нерегулярность стала причиной подавленной теплопроводности, то есть сочетала как раз необходимые для хорошего термоэлектрика характеристики.

Авторы отмечают, что данная разработка вряд ли перевернет область термоэлектриков, так как нужная структура стабильна только в виде пленки на субстрате, что не позволяет ей преобразовывать большие количества энергии. Однако такой элемент можно встраивать в электронику для питания сенсоров и других устройств. Также исследование показывает потенциал термоэлектриков и возможный путь для открытия новых веществ с рекордными свойствами.

Ранее ученые показали краску-электрогенератор, увеличили эффективность превращения тепла в электричество при помощи фракталов, а также нашли нетоксичный термоэлектрик для комнатной температуры.

Тимур Кешелава

Определение технических характеристик термоэлектрического радиатора

В настоящее время в Российской Федерации значительно увеличивается парк автотранспортных средств, энергоустановки которых наносят значительный урон окружающей среде. Двигатели внутреннего сгорания, особенно применяемые на транспорте, выбрасывают около четвертивсех антропогенных парниковых газов, причем на долю углекислого газа приходится почти 90 %. Эти выбросы напрямую связаны со сгоранием топлива и пропорциональны его расходу.

На большинстве транспортных средств тепло, выделяемое двигателем внутреннего сгорания, используется лишь частично, путем передачи доли тепловой энергии от системы охлаждения ДВС к системе отопления салона. И даже в этом случае более 30 % энергии сгоревшего топлива рассеивается в атмосферу через охлаждающую жидкость.

Ведущие автопроизводители, в том числе GeneralMotors, BMW и Toyota, разработали собственные термоэлектрические генераторы для утилизации тепловой энергии отработавших газов [1–3] и проводят их моделирование и испытания, как лабораторные [4, с. 685], так и в составе транспортных средств [5, с. 378]. При этом другой не менее перспективный источник выбрасываемой тепловой энергии, такой как система охлаждения двигателя, позволяющий дополнительно улучшить энергоэффективность ДВС, рассматривается гораздо реже. В связи с этим, задача использования тепловой энергии, рассеиваемой системой охлаждения, является актуальной, и позволит повысить энергоэффективность ДВС и снизить расход топлива. Одним из возможных направлений утилизации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения ДВС, является прямое преобразование ее в электроэнергию в термоэлектрических генераторах.

В работах [6, с. 525] и [7, с. 813] представлено исследование термоэлектрического генератора, смонтированного в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания на место штатного радиатора охлаждения. Данный генератор представляет собой систему из двух видов охлаждения — жидкостного и воздушного и включает в свою конструкцию тепловые трубки. Горячий блок генератора имеет впускные и выпускные патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости, поступающей из системы охлаждения двигателя. Термоэлектрические генераторные модули смонтированы на обеих сторонах горячего блока генератора. Чтобы увеличить эффективную площадь охлаждения термоэлектрического генератора, в конструкции предусмотрен ряд ребер, установленных на тепловых трубках.

На рисунке 1 представлены составляющие элементы термоэлектрического генератора, вид сбоку и внутренняя структура горячего блока. Стрелки указывают направление течения горячего теплоносителя, в качестве которого выступает охлаждающая жидкость.

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\1.tiff$

Рис. 1. Термоэлектрический генератор: а) — составляющие элементы; б) — вид сбоку; в) — внутренняя структура горячего блока

Максимальная электрическая мощность представленного генератора, полученная в ходе лабораторных испытаний, составила 75 Вт, что позволило утилизировать лишь 0,4 % тепловой энергии, рассеиваемой двигателем внутреннего сгорания (18 кВт) [6, с. 529] при движении транспортного средства со скоростью 80 км/ч.

Одним из наиболее значимых недостатков данной конструкции является наличие тепловых трубок, что значительно повышает себестоимость термоэлектрического генератора, а также снижает механическую прочность конструкции в целом.

Аналогичный генератор представлен в патенте [8], но в отличие от предыдущего примера, в конструкции могут применяться тепловые трубки различных конфигураций. Примеры конструкции термоэлектрического генератора, предназначенного для утилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, показаны на рисунке 2.

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\2.tiff$

Рис. 2. Термоэлектрический генератор с тепловыми трубками различных конфигураций

Более целесообразным подходом, как с точки зрения снижения себестоимости термоэлектрического радиатора, так и упрощения последующего его внедрения в транспортное средство, является сохранение габаритных и присоединительных размеров с изменением сердцевины радиатора. Это позволит использовать разработанный термоэлектрический радиатор в серийно выпускаемых транспортных средствах с сохранением компоновочной архитектуры подкапотного пространства.

На рисунке 3 показана конструкция, разработанного на базе радиатора 21230–1301012, термоэлектрического радиатора с сохранением его габаритных и присоединительных размеров.

Рис. 3. Конструкция разработанного термоэлектрического радиатора: а) — вид спереди; б) — изометрический вид; в) — увеличенный местный вид; 1 — плоская трубка; 2 — термоэлектрический генераторный модуль; 3 — ребра охлаждения; 4 — вентилятор; 5 — кожух вентиляторов

Охлаждающая жидкость проходит по плоским трубкам (1), с двух сторон которых расположены термоэлектрические генераторные модули (2), к холодным сторонам которых примыкают ребра охлаждения (3). Благодаря постоянному подводу теплоты от охлаждающей жидкости к горячим сторонам термоэлектрических генераторных модулей и одновременному отводу теплоты ребрами в окружающий воздух, возникает эффект Зеебека, позволяющий получить электрическую энергию, направляемую либо в бортовую сеть транспортного средства или аккумуляторную батарею.

Для оценки работоспособности и эффективности разработанной конструкции термоэлектрического радиатора необходимо провести расчет его основных технических характеристик. Целью данного расчета является определение электрической мощности термоэлектрического радиатора, которая может быть получена в результате утилизации теплоты, рассеиваемой системой охлаждения двигателя, а, следовательно, и тепловой мощности радиатора в целом и сравнение ее с аналогичной характеристикой радиатора, используемого в качестве прототипа.

Как видно из представленной конструкции термоэлектрического радиатора, его расчетную модель можно значительно упростить, выделив основной многократно повторяющийся функциональный модуль. Такой модуль будет состоять из плоской трубки, одного термоэлектрического генераторного модуля и ребер охлаждения. Расчеты, проведенные для упрощенной модели, с учетом их взаимного расположения, позволят оценить технические характеристики разработанного термоэлектрического радиатора в целом. Графическое отображение расчетной модели термоэлектрического радиатора представлено на рисунке 4.

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$

Рис. 4. Расчетная модель термоэлектрического радиатора

В общем случае, мощности тепловых потоков можно определить исходя из уравнений теплоотдачи и теплопроводности, следующих из закона Ньютона-Рихмана.

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ (1)

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ (2)

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ ,(3)

где $E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2*К;

A — площади поверхности теплообмена, м2;

Т — температуры, К;

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — средний коэффициент теплопроводности термоэлектрического генераторного модуля с учетом дополнительных горячей и холодной стенок, Вт/м2*К.

Применяемые в рассматриваемых уравнениях, коэффициенты теплоотдачи от горячего и к холодному теплоносителю зависят от вида теплоносителя и его температуры, температурного напора, режима течения, состояния поверхности теплообмена и геометрии тела, поэтому они являются функциями процесса теплоотдачи и должны определяться в каждый момент времени независимо.

Средний коэффициент теплопроводности термоэлектрического генераторного модуля с учетом дополнительных горячей и холодной стенок также зависит от конструкции термоэлектрического генераторного модуля и используемых материалов и может быть определен по формуле:

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ ,(4)

где $E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — толщина элемента, м;

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — теплопроводность, Вт/м*К.

Тепловой поток, рассеиваемый в окружающем воздухе, прямо пропорционален площади стенки и температурному перепаду между стенкой и воздухом. Если поверхность теплоотдачи одной стороны стенки увеличить с помощью металлических ребер, как это сделано в данном случае, то следует ожидать, что тепловой поток, относящийся к единице поверхности стенки, несущей оребрение, увеличится прямо пропорционально площади поверхности теплоотдачи. Однако, вследствие температурного градиента вдоль ребра, величина эффективного температурного напора значительно снизится. Поэтому общее увеличение теплового потока будет меньше ожидаемого. Для ребер с изолированной вершиной можно использовать следующее выражение:

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ (5)

где $E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — площадь межреберного пространства, м2;

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — площадь ребер, м2;

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — коэффициент эффективности оребрения.

Коэффициент эффективности оребрения определяется геометрическими параметрами ребер:

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ (6)

где П — периметр ребра, м;

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ — площадь одного ребра, м2;

l — длина ребра, м.

При этом отдельно, необходимо учитывать преобразование тепловой энергии отработавших газов в термоэлектрических генераторных модулях в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны [9, с. 143]:

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_02.TIF$ (7)

Указанные зависимости (1–7), а также другие закономерности, применимые к процессам стационарного теплопереноса позволяют определить суммарную мощность теплового потока от охлаждающей жидкости к окружающему воздуху, а, следовательно, и электрическую мощность, вырабатываемую термоэлектрическим радиатором.

Как уже указывалось ранее, для разработки конструкции термоэлектрического радиатора был использован радиатор 21230–1301012. Суммарная тепловая мощность, рассеиваемая радиатором-прототипом при стандартных условиях (TОЖ=80°С, Твозд.=20°С), составляет 34,8 кВт. Определение тепловой мощности при стандартных условиях производится при определенных расходах горячего и холодного теплоносителей. В данном случае они составляют, соответственно 5,5 м3/час и 5000 кг/час. Данные параметры необходимо использовать в качестве начальных условий при определении технических характеристик термоэлектрического радиатора.

Основным отличием термоэлектрического радиатора от традиционного, является наличие в его конструкции термоэлектрических генераторных модулей. В связи с этим необходимо задаться их характеристиками, которые повлияют не только на величину полезной электрической мощности, но и на процессы теплообмена. В данном расчетном исследовании используется модель термоэлектрических генераторных модулей H-127–10–05-L2 производства ф.CrystalLtd, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики модуля H-127–10–05-L2

Наименование параметра	Единица измерения	Значение
Максимальная температура применения	°С	150
Габаритные размеры (длина х ширина, высота)	мм х мм, мм	30 х 34, 2.8
Выходная электрическая мощность при температуре горячей стороны 150°С и градиенте температур 100°С	Вт	4.1
Мощность теплового потока, подводимого к горячей стороне, для получения максимальной мощности	Вт	97

Исходя из габаритных размеров термоэлектрических генераторных модулей и размеров радиатора-прототипа и ранее разработанной конструкции термоэлектрического радиатора, общее количество ТГМ составит 440, причем они могут быть равномерно распределены по 12 плоским трубкам для циркуляции охлаждающей жидкости, выполненным из алюминиевого сплава. Геометрические параметры элементов термоэлектрического радиатора, применяемые в расчетах процессов теплообмена по разработанной модели, показаны на рисунке 5.

$E:\проекты\Грант 14.Z56.15.3290-МК\1 этап\Статья МУ\рисунки\NEW_04.TIF$

Рис. 5. Геометрические параметры элементов термоэлектрического радиатора

В результате расчета теплообмена с учетом начальных данных и геометрических параметров элементов термоэлектрического радиатора, была определена средняя температура на горячей стороне термоэлектрических генераторных модулей, которая составила 67,8°С. Итоговое значение тепловой мощности, отводимой от охлаждающей жидкости термоэлектрическим радиатором при стандартных условиях (TОЖ=80°С, Твозд.=20°С), составило 17,2 кВт. А полезная электрическая мощность, вырабатываемая термоэлектрическими генераторными модулями, составила 708 Вт.

При стандартных условиях тепловая мощность термоэлектрического генератора, полученная в результате расчетных исследований, значительно ниже аналогичной характеристики штатного радиатора, что может негативно отразиться на работе двигателя внутреннего сгорания, а в частности, значительно увеличить тепловые нагрузки. Для увеличения тепловой мощности термоэлектрического генератора могут быть применены следующие решения:

 замена материалов элементов термоэлектрического генератора (трубок и ребер охлаждения) для увеличения их теплопроводности;

 изменение геометрических параметров элементов термоэлектрического генератора для снижения общего термического сопротивления;

 установка термоэлектрических генераторных элементов только на части трубок для охлаждающей жидкости.

Замена используемых в термоэлектрическом радиаторе материалов и оптимизация геометрических параметров позволит увеличить не только тепловую мощность, отбираемую от охлаждающей жидкости, но и электрическую мощность, получаемую в результате прямого преобразования в ТГМ. Однако, вследствие относительно небольшого коэффициента теплопроводности термоэлектрических модулей, достижение требуемого значения тепловой мощности при реализации данных решений труднореализуемо.

Установка термоэлектрических генераторных элементов только на части трубок для охлаждающей жидкости значительно увеличит тепловую мощность, но негативно отразится на степени рекуперации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения от двигателя внутреннего сгорания, т. к. часть энергии будет рассеиваться в окружающей среде без участия ТГМ. Таким образом, для достижения требуемых результатов по тепловой мощности термоэлектрического радиатора при сохранении эффективности рекуперации требуется комбинирование всех технических решений, приведенных ранее.

Разработанный термоэлектрический радиатор предназначен для утилизации части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, с получением электроэнергии. Внедрение в конструкцию транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, разработанного термоэлектрического генератора позволит снизить потребление топлива и уменьшить отрицательное техногенное воздействие вредных выбросов с отработавшими газами на окружающую среду.

Работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора № 14.Z56.15.3290-МК от «16» февраля 2015 года об условиях использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых с организациями — участниками конкурсов, имеющими трудовые отношения с молодыми учеными МК-3290.2015.8.

Литература:

Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // ПатентСША № 2013/0000285, 03.01.2013.
K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // ПатентСША № 7687704, 30.03.2010.
Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // ПатентГермании № 102009033613, 20.01.2011.
Khripach N. A., Papkin B. A., Korotkov V. S., Zaletov D. V. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine // Biosciences Biotechnology Research Asia (ISSN 0973–1245), 2015, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 677–689. doi: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2084.
Khripach N. A., Papkin B. A., Korotkov V. S., Nekrasov A. S., Zaletov D. V. Effect of a Thermoelectric Generator on the Fuel Economy of a Vehicle Operating in a Real-world Environment // Biosciences Biotechnology Research Asia (ISSN 0973–1245), 2015, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 375–386. doi: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2049.
Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523–530.
Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812–816.
Kim, S., Park, S, Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // ПатентКореи № 100986657, 10.08.2010.
Meng, F., Chen, L. and Sun, F. (2012). Effects of temperature dependence of thermoelectric properties on the power and efficiency of a multielement thermoelectric generator. International Journal of Energy and Environment, Volume 3, Issue 1, 137–150.

Термоэлектрические материалы — лекции на ПостНауке

Когда мы говорим о материале, мы должны придумать какую-то систему оценки его работоспособности или даже полезности. Это коэффициент ZT, который расшифровывается как «термоэлектрическая добротность». Он не имеет физической размерности, но говорит о том, что термоэлектрик должен быть хорошим проводником электричества и при этом плохим проводником тепла. Это очень трудно совместить в одном материале, но такое в принципе возможно. Теория не содержит никаких запретов. Нужно было придумать, как эти вещества найти, в каком углу химической системы в таблице Менделеева можно брать такие химические элементы, чтобы они сочетали в одном веществе нужные свойства.

Иоффе придумал материал теллурид висмута, его химическая формула — Bi₂Te₃. Он сам может быть термоэлектрическим материалом, но для того, чтобы повысить его эффективность, его легируют: добавляют много сурьмы, какое-то количество селена и еще другие добавки. На сегодняшний день 95% всех термоэлектрических материалов основаны на теллуриде висмута.

Где мы используем термоэлектрические материалы? Областей очень много, однако рынок термоэлектрических материалов очень мал: годовой оборот оценивается величиной менее 2 миллиардов долларов США. Тем не менее определенный набор применений существует. Во-первых, охлаждение: охлаждать можно что-то, что не требует большой мощности и большого производства холода. Если речь идет о термоэлектрических охладителях мощностью 100 ватт и меньше, то они конкурентоспособны по отношению к компрессионным холодильникам. У компрессионных холодильников все просто: чем больше объем, тем больше эффективность. У термоэлектрических материалов нет такой взаимосвязи.

Преимущество термоэлектрических холодильников над компрессионными существует, потому что термоэлектрический материал и устройства на его основе могут работать очень долго. Для некоторых материалов оценочные значения срока жизни составляют от 20 до 30 лет. Такие устройства не требуют постоянного сервиса: в них нет движущихся частей, нет перегрева и механических напряжений. Тем не менее холод они вырабатывают не очень хорошо. Коэффициент полезного действия современных термоэлектрических материалов, вырабатывающих холод, оценивается примерно в 6–7%. Несмотря на это, теллурид висмута до сих пор в термоэлектрических материалах для охлаждения никто не заменил. И поиск новых материалов — отдельная задача.

Как мы уже обсуждали, есть эффекты Зеебека и эффекты Пельтье. И если один из них отвечает за охлаждение, то другой — за генерацию тока под действием разницы температур. Из этого возникает новая идея, которая заключается в том, что невозможно обойтись теллуридом висмута для большинства применений. Теллурид висмута, даже хорошо легированный, работает нормально до температур 100–150 °C. Конечно, его можно использовать: представим себе удаленную систему, где нет электрических сетей, а вам нужно запустить датчик, работающий на электричестве. Возможно, что от разницы температур у вас появится электричество благодаря этому термоэлектрическому материалу, датчик снимет показания, передаст на спутник и снова заснет.

Однако мы хотели бы получить нечто большее от термоэлектрических генераторов, например машину. Представим себе, что когда мы заправляем автомобиль бензином, то мы должны согласиться с тем, что около 25% топлива работает на то, чтобы машина ехала, а все остальное теряется на торможение и работу на холостых оборотах. Возникает идея: если есть потерянное тепло, то нужно с помощью термоэлектрического материала его снова преобразовать в электричество. И тогда материал войдет в систему автомобиля и будет спасать запас энергии, который топливо нам может дать, эффективность повысится, расход топлива понизится. Сейчас такие материалы разрабатываются, но при рабочей температуре поверхности, подходящей для использования термоэлектрических материалов, теллурид висмута работать не будет.

Единственное, чем можно заменить теллурид висмута, — это теллурид свинца. Но использование свинца уже большой минус, потому что он ядовит. Теллур же не очень ядовит, хотя у него есть определенное токсическое воздействие на организм человека. Однако теллур очень редкий элемент. Если брать все нерадиоактивные химические элементы, известные на Земле, то теллур седьмой по редкости, поэтому он стремительно дорожает. За последние двадцать лет цена на теллур поднялась примерно в 10 раз.

Стоит задача сделать термоэлектрический материал, который будет способен работать в среднем диапазоне температур 300–400 °C, а может быть, 500 °C, не будет содержать токсических элементов и будет содержать те элементы, которые очень хорошо представлены в природе. Нужно определить, какие свойства должен иметь материал или то химическое вещество, из которого делается материал, для того чтобы это был потенциальный термоэлектрический девайс.

Термоэлектрик батареи: Электрическая система отопления TermoElectric™ | Отопление | Каталог | ООО Техэтаж – Термоэлектрогенератор — Википедия