Что такое теплогенератор: Что такое теплогенераторы? Назначение, виды, характеристики, принцип работы воздушных твердотопливных теплогенераторов

Что такое теплогенераторы? Назначение, виды, характеристики, принцип работы воздушных твердотопливных теплогенераторов

Теплогенерыторы для воздушного отопления: применение, конструкция, виды и правила выбора

Одним из условий создания комфортной среды в помещении является поддержание оптимальной температуры. Это важно не только в жилых домах, но и в офисных, производственных и складских зданиях. Иначе находиться и работать в таких местах будет трудновыполнимо. С этой задачей успешно справляются теплогенераторы для воздушного отопления.

На сегодняшний день данный тип теплогенераторов пользуется спросом за счет относительно небольшой стоимости топлива и простоты монтажа. Их универсальность и безопасность позволяет отапливать помещения любого типа.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Твердотопливный теплогенератор имеет достаточно широкую область применения:

обогрев каркасно-тентовых конструкций: шатров, ангаров для хранения и обслуживания техники и т. д.;отопление сразу нескольких помещений в одном здании с помощью системы воздуховодов для распределения и вытяжки воздуха;обогрев производственных и складских помещений, цехов, баз для хранения овощей и фруктов;отопление теплиц и парников.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Твердотопливный воздушный котел теплогенератор имеет собственную камеру сгорания, в которой работает горелка. Полученные горячие газы поступают в теплообменник. Предусмотренный в конструкции вентилятор создает воздушные массы, которые поступают и нагреваются в теплообменнике. В дальнейшем идет распределение нагретого воздуха по всему отапливаемому помещению. Происходит это через подключенные к теплогенератору вентиляционные каналы, либо через простой отвод из трубы.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

По сути теплогенераты являются обычными воздушными котлами. Особенность конструкции состоит в наличии камеры сгорания, что в тандеме с вентилятором позволяет вырабатывать чистый теплый воздух без газообразных веществ, образующихся в процессе горения. Все полученные вещества от продуктов горения утилизируются с помощью дымовой трубы.

ДОСТОИНСТВА ОБОРУДОВАНИЯ

 теплогенератор на пеллетах является недорогой альтернативой газовому и электрическому оборудованию, так как отопление осуществляется доступным экологически чистым топливом; при активной работе отсутствуют неприятные запахи, пыль и сквозняк; быстрый нагрев помещений за счет большой эффективности; подходят для обогрева любого типа зданий и сооружений; современные модели дают возможность установить фиксированное значение температуры в ночное и дневное время суток;предусмотренный в конструкции контроллер следит за поддержанием температуры и исключает вероятность перегрева;небольшие расходы на эксплуатацию и монтаж;при покупке дополнительных модулей можно управлять теплогенератором через компьютер и телефон.

ПРАВИЛА ВЫБОРА

Перед покупкой теплогенератора необходимо учесть ряд важных фактором, а именно:

1. Объем отапливаемого помещения. От этого будет зависеть необходимая тепловая мощность.
2. Габариты оборудования.
3. Вид, стоимость и расход твердого топлива.
4. Необходимая температура в помещении.

Твердотопливные теплогенераторы относятся к самым эффективным и недорогим вариантам отопления. Долговечность, безопасность и простота в эксплуатации являются очевидными преимуществами данного типа оборудования.

Как устроен стационарный теплогенератор? | Группа NORTEC

Перейти в раздел каталога «Теплогенераторы» →

Принцип действия стационарного теплогенератора основан на нагревании воздуха (приточного или внутреннего), проходящего через горячий теплообменник. Теплообменник, в свою очередь, разогревается горячими газами, полученными от сжигания топлива в камере сгорания. Процесс горения топлива в камере сгорания обеспечивается горелкой.
Стационарные теплогенераторы могут комплектоваться любыми видами горелок – универсальными на отработанном масле, газовыми или жидкотопливными. Главное правило – расчетная мощность теплогенератора должна превышать мощность, установленную на горелке, на 15-20%.

Раскаленные продукты сгорания из камеры сгорания, проходя внутри теплообменника, нагревают его и отводятся за пределы помещения.

Нагнетаемый вентилятором воздух, проходя через теплообменник, нагревается и поступает в помещение через регулируемые жалюзи или систему воздуховодов. За счет отсутствия промежуточного теплоносителя, для разогрева и транспортировки которого требуется определенное время и дополнительные энергозатраты, значительно возрастает КПД, а теплоотдача начинается сразу после включения установки.

Теплогенераторы с низким статическим давлением, такие как Tecnoclima TE, не предназначены для работы с системой воздуховодов. Такие приборы устанавливаются в помещении в зоне, которую необходимо обогреть. Они имеют в верхней части блок распределительных решеток для подачи воздуха непосредственно в помещение.

Стационарные теплогенераторы с высоким (изменяемым) статическим давлением, такие как APEN PKE или Tecnoclima TC-E, могут комплектоваться вентилятором повышенной напорности и подключаться к воздуховодам. В этом случае, один теплогенератор способен отопить несколько помещений, а верхняя часть корпуса с распределительными решетками не используется.

Для работы в системах приточной вентиляции, когда из-за перепада температур возможно образование конденсата в теплообменнике, теплогенераторы могут комплектоваться нержавеющим теплообменником и устройством отвода конденсата. Теплогенераторы APEN имеют нержавеющий теплообменник во всех базовых комплектациях.

применение, принцип работы и как сделать его самостоятельно

По своей сути теплогенератор это центробежный насос, только немного измененный. Есть два вида теплогенераторов статический и роторный (вихревой). Их отличие состоит в том, что в статорном жидкость нагревается за счет сопел установленных на входе и выходе центробежного насоса. У роторного вода греется за счет оборотов насоса и маленького расстояния промеж статора и ротора, а также завихрений воды создаваемые ротором. Сейчас существует множество теплогенераторов с различными роторами и соплами, но принцип работы остается неизменным. В отличие от статорного теплогенератора у роторного теплоотдача больше примерно на 30%. Поэтому в этой статье подробно рассказано о том как самому можно сделать вихревой теплогенератор на примере электронасосного агрегата Х65−50−160Р.

Чтобы было понятнее, как сделать генератор, рассмотрим самую простую конструкцию по методу Л. П. Фоминского.Прежде всего нужно будет на токарном станке выточить стальное кольцо 8 и прижимную втулку 10 с наружным диаметром 40 мм и внутренним 28 мм (рис.10). Кроме того еще и самую важную часть, ротор из углеродистой стали (рис.1). Также нужен будет статор, который может быть сварным, но в идеале он вытачивается монолитным.

Его внутренний диаметр должен быть на 2 мм больше наружного диаметра ротора.

Разборка насоса

• В первую очередь необходимо снять муфту 3 с вала электродвигателя 2 (рис.10) и снять сам насос 1 с плиты 4.
• После чего раскрутить болты 34 (рис 11) и разъединить правую 4 и левую 5 половинки корпуса насоса. Левую половинку можно убрать сразу, больше она не понадобится.
• После этого необходимо очень осторожно снять рабочее колесо 1 с вала 23, откручивая его за лопатки и одновременно придерживая полумуфту, расположенную, на другом конце вала 23 от прокручивания.
• Если руками отвернуть не получается сделать это можно при помощи металлического рычага (ломика). Заложить рычаг между лопастями рабочего колеса 1 таким образом, чтобы края рычага выступали на одинаковую длину.
• В отверстия муфты на противоположной стороне вала нужно вставить 2 металлических стержня и между ними заложить второй рычаг, уперев при этом один его край в землю.
• Далее нужно осторожно проворачивать оба рычага против часовой стрелки. Не нужно давить слишком сильно на рычаги, так как можно погнуть вал 23. Открученное рабочее колесо 1 может еще понадобиться если захотите сделать более сложную, но эффективнее работающую конструкцию теплогенератора.
• После этого можно отвернуть со шпилек гайки 3 и разъединить правую половину корпуса насоса 4 с корпусом подшипников 2 (рис. 11). Правая половина также больше не понадобится.

Переходим к рисунку 5. Здесь чугунный корпус подшипников обозначен как позиция 1. К нему крепится корпус 2 генератора при помощи шпилек 3, пружинных шайб и гаек. Между ними установлена прокладка 6, изготовленная из паронита (фторопласта). Ее толщина должна быть такой, чтобы при сборке упор приходился на нее, а не на резиновую футеровку гуммированной поверхности корпуса 5. На вал 4 одето стальное кольцо 8, резиновое кольцо 9 и прижимная втулка 10. На месте рабочего колеса стоит ротор 7. Длина втулки 10 должна быть такой, чтобы при накручивании ротора на вал, уплотнительное кольцо 9 сжималось и не давало просачиваться жидкости при работе агрегата. Оптимальная длина втулки 10 считается такой, когда после прикручивания ротора между торцом ротора 7 и торцом втулки 10 остается зазор в 0,5 мм. Размер 37 мм, обозначен звездочкой и указывает длину выступления вала 4 за пределы корпуса 1. Размер 22 мм обозначает длину резьбы на конце вала 4.

Сверление отверстий в роторе

Очень важным моментом является сверлении отверстий в роторе. На этом этапе остановимся подробнее. Итак, учтите следующие моменты:

• При сверлении отверстия М20Ч1,5 и нарезки в нем резьбы по центру ротора должна быть соблюдена максимальная соосность с его наружным диаметром и перпендикулярность оси к плоскости диска ротора (рис. 1).
• Сверлить это отверстие и нарезать резьбу нужно только на токарном станке. На рисунке 4 указано расположение глухих отверстий на торце ротора и его цилиндрической поверхности. Не стоит делать все отверстия сразу на торце ротора, а с двойным или даже четвертным шаге между ними.
• На цилиндрической поверхности отверстия могут быть диаметром 6−9 мм, обычно делаются 8 мм. Важно, чтобы они имели одинаковую глубину и диаметр, что избавит в дальнейшем от балансировки ротора, что является дорогим удовольствием. Для этого на сверло одевается трубка из металла, и сверло выступает из нее именно на ту глубину, которую следует просверлить. Идеальным вариантом будет сверлить их на станке, который имеет ограничения хода шпинделя.

Порядок сверления отверстий

Просверлив одно отверстие следующее нужно делать не рядом с ним, а с противоположной стороны. Это необходимо потому, что в процессе сверления, сверло изнашивается и следовательно глубина следующего отверстия будет немного меньше предыдущего. При сверлении таким образом, неравномерность усредняется, что дает избежать проблему с балансировкой ротора. Эти отверстия также не надо насверливать все сразу. Так же как и на плоском торце ротора их надо сверлить в 2 или 4 раза меньше чем на рисунке 4. После этого нужно собрать генератор с ротором и испытать его при этом можно будет рассчитать потребляемую мощность электродвигателя и рассчитать сколько еще надо высверлить отверстий.

Потребляемая мощность двигателя должна быть близкой к паспортной, но не превышать ее. Остальные отверстия сверлятся таким же образом, друг напротив друга. Назвать точное количество отверстий сразу нельзя, в связи с тем, что зазор между поверхностями диска ротора 7 и статора 12 в каждом отдельном случае при изготовлении генератора окажется не совсем таким, как на рисунке 5. А данный зазор очень много определяет при работе генератора и в том числе, величину гидродинамического сопротивления вращению ротора. Ведь ротор 7 накручен на вал 4, который держится с помощью подшипников, которые установлены в корпус 1, статор 12 оцентровывается обечайкой 14, которая, в свою очередь, оцентровывается выточкой в корпусе 2 теплогенератора. А корпус 2, в свою очередь, крепится на поверхность корпуса 1 узла подшипников и оцентровывается этой поверхностью. Она же была сделана на заводе с неизвестно какой точностью.

Корпус генератора

На рисунке 7 показан сварной корпус генератора. Если вы не понимаете в чертежах или не имеете токарного станка, то обратитесь к любому знающему толк в своем деле токарю, по представленным чертежам можно без проблем выточить все необходимые детали.

• Не нужно торопится и сваривать корпус сразу. Сначала нужно убедиться, что кольцо данного узла плотно садится в гнездо на плоском диске корпуса, которое имеет диаметр 275 мм.
• Плотная посадка нужна для соосности этих двух деталей. Также еще нужно правильно развернуть отверстие 16 мм и отверстия с резьбой М12 в кольце относительно друг друга (рис. 7).
• Отверстие 16 мм должно быть расположено не в верхней части генератора как показано на рисунке 2, а в нижней, сбоку от электродвигателя.

Крышка генератора и обечайка

Наружная крышка 18 генератора вытачивается из стали, в ней сверлятся 24 отверстия под болты 13 диаметром 6,5 мм. В центре имеет отверстие, к которому приварен штуцер для подачи воды.

Статор 12 крепится к корпусу генератора на 24 болта 13 (М6) через теплоизолирующую обечайку 14, которая центрирует сопрягаемые с ней детали (рис 5). Обечайка вытачивается из текстолита, в ней сверлятся 24 отверстия под болты 13 диаметром 6,5 мм. Также возможно выточить ее из стали или обрезка трубы, но тогда необходимо будет подложить прокладку 15 толщиной 1−2 мм из резины или другого изолирующего материала.

При сборке генератора плоскости крышки 18, статора 12, колец 16 и обечайки 14 промазывают влагостойким герметиком или клеем. Кольца 16 вытачивают из листовой стали толщина которой 1−2 мм и сверлят в них отверстия диаметром 6,5 мм. Диск 17 вытачивают из такой же стали и сверлят такие же отверстия под болты 13, кроме этого, в нем нужно просверлить еще 12 отверстий диаметром 10 мм.

Подсоединяется агрегат к системе отопления с помощью труб или шлангов, на выходе ставится градусник для контроля температуры воды на выходе (рис. 8).

Не стоит греть воду выше 70 градусов, так как при высокой температуре можно получить ожог от регистров отопления. Насос следует ставить на выходном патрубке, чтобы он высасывал воду из теплогенератора, а не выдавливал ее, так как в этом случае теплоотдача повышается примерно на 30%.

Получается, что сделать теплогенератор самому не такая тяжелая задача как может показаться на первый взгляд. Самое главное это не спешить и хорошо разобраться с устройством и принципом работы агрегата. Ну и, конечно, точность выточенных деталей тоже стоит не на последнем месте. Особой точности требует ротор, если его выточить неправильно, тогда при работе агрегата будет повышенная вибрация и в первую очередь будет разбивать подшипники.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Газовый теплогенератор — CARLIEUKLIMA

Газовый теплогенератор служит для теплоснабжения хозяйственно бытовых, торговых и промышленных помещений посредством прямого нагрева воздушной массы и нагнетания её в помещение.Теплогенераторы классифицируются по разным конструктивным особенностям и назначению.

КАТАЛОГ CARLIEUKLIMA

Газовый теплогенератор, или как его ещё принято называть газовый воздухонагреватель, уже многие годы идеально вписывается в автономную систему отопления торговых и промышленных помещений самого разного назначения. Газовые теплогенераторы для воздушного отопления имеют определённую классификацию и конструктивные особенности. Спрос, как известно, рождает предложение. Поэтому на сегодняшний день рынок отопительной техники и оборудования предлагает большой номенклатурный ряд газовых теплогенераторов.

Теплогенератор устройство.

Схема теплогенератора

Газовый теплогенератор, а точнее его устройство основано на принципе прямого нагрева воздушной массы и принудительной её подачи в помещение с помощью центробежного или осевого вентилятора. В основе  теплогенератор устройство лежит использование газогорелочного механизма.

• Газовая горелка, с помощью которой энергия сгораемого топлива используется для нагрева воздушной массы в специальном теплообменнике агрегата.
• Вентилятор продувочный, с помощью которого нагретый воздух нагнетается в помещение, а также поддерживается бесперебойное качественное сгорание газа в процессе работы горелки (если применяется горелка атмосферного типа).
• Камера сгорания, обеспечивающее полноценное сгорание природного газа, используемого в качестве топлива, для передачи энергии воздушной массе, т.е. ей нагрева.
• Теплообменник, обеспечивающий обмен теплом теплогенератора с помещением. Именно это устройство теплогенератора позволяет предотвратить возможный перегрев камеры сгорания.
• Вентилятор для отвода продуктов горения, служащий принудительному выбросу дымовых газов, возникающих в процессе сжигания топлива.
• Корпус теплогенератора, составляющего в определённой степени участки воздушного канала, предназначенного для направленной подачи нагреваемого воздуха в помещение.

В основу принципа работы газового теплогенератора заложены следующие аспекты:

• При помощи вентилятора холодный уличный воздух, а в некоторых случаях, в зависимости от заданных критериев, воздух из помещения, попадает в нагревательный элемент.
• В процессе работы газовой горелки, воздух нагревается и поднимается к теплообменнику.
• Продувочный вентилятор нагнетает нагретый воздух в помещение по воздуховоду через специальный клапан.

Хочется отметить, что использование воздушных отопительных агрегатов позволяет избежать таких проблем, как контроль за теплоносителем и состоянием оборудования, которое может быть подвержено коррозии. Применение воздухонагревателя в качестве отопительного прибора также исключает возможность размораживания системы, как это бывает с традиционными гидравлическими устройствами.

Виды теплогенераторов.

На сегодняшний день различают газовые теплогенераторы мобильного типа и стационарные теплогенераторы. Первые являются мало востребованными и узко специализированными по причине того, что для эксплуатации данных приборов необходимо применение газовых баллонов. Баллона хватает на непродолжительное количество времени, что влечёт за собой периодичность в его замене.

Популярными, распространёнными и эффективными являются стационарные газовые теплогенераторы. Именно эти отопительные приборы по праву носят статус энергоэффективного и надёжного оборудования. Они классифицируются на напольные и подвесные.

Подвесной теплогенератор является компактным отопительным прибором и размещается, как правило на специальной консоли или цепях, как внутри, так и снаружи помещения. Способ размещения и типа установки зависит от множества факторов, связанных с архитектурными особенностями помещения, со спецификой инженерных коммуникаций и с промышленно эстетическими параметрами помещения.

Стационарные газовые теплогенераторы классифицируются по типу исполнения, поэтому различают воздухонагреватели вертикального исполнения и теплогенераторы горизонтального типа. И первые и вторые теплогенераторы можно устанавливать, как на полу, так и на специальной раме, которую в некоторых случаях фиксируют на определённых высотах. Выбор способа монтажа зависит от технических условий, стеснённости места установки и рекомендаций специалистов.

Подвесной теплогенератор Eugen S

Напольный теплогенератор Eugen B

Воздухонагреватель газовый и его плюсы.

• Использование самого доступного топлива, — природного газа
• Воздух в качестве теплоносителя, что делает применение теплогенератора самым безопасным
• Процессы, сопровождаемые работу газового теплогенератора, автоматизированы и управляемы
• Возможность сокращать расходы на использование топлива посредством применения любого типа газовой горелки, а также возможностью интеллектуального погодозависимого управления работой теплогенератора
• Возможность применять теплогенератор в качестве вентиляционного оборудования параллельно с нагревом воздуха
• Наличие максимальной энергоэффективности применения газового теплогенератора даже в частных домах и коттеджах.

Теплогенератор газовый для дома.

На сегодняшнем рынке отопительного оборудования и техники представлено огромное количество не только модификаций того или иного отопительного оборудования, но и принципиально разных, по своему типу теплоснабжения, приборов. В последнее время всё чаще и чаще владельцы частных домов и коттеджей выбирают именно воздушные газовые теплогенераторы взамен традиционным водяным системам отопления. Это связано и с существенными плюсами применения газовых теплогенераторов и с изменениями принципа рынка теплотехники в России.

Для подбора теплогенератора в жилой дом, да и в любое другое помещение, основным параметром, определяющим воздухонагревательный прибор, будет являться его тепловая мощность. Детально правильный и точный расчёт этого и многих других исходных критериев для помещения носит название Расчёт потребности в тепле и топлива. Для более простого способа можно вычислить теплоёмкость помещения.

Рассмотрим пример, в котором нам необходимо подобрать газовый теплогенератор для помещения площадью 100 м2. Возьмём высоту потолка 5 м, температуру, требуемую внутри помещения 20 градусов по Цельсию и самую низкую температуру на улице в зимний период -20 градусов. Для нашей формулы необходимо учитывать значение коэффициента строительных перекрытий, поэтому для нашего примера мы возьмём K-2,3; который соответствует кирпичу.

Р=VхΔTхk/860

Р = 100x5x40x2,3/860 = 53,48 кВт.

Такой простой формулой можно определить укрупнённый параметр тепловой мощности требуемого теплогенератора. Но кроме этого основного параметра, определяющего модель воздухонагревателя, потребуется понимание того, как будет размещаться теплогенератор (вертикально или горизонтально), внутри помещения или на улице, какая производительность вентилятора будет необходима для создания достаточного и комфортного воздушного потока по помещению. Важным определяющим комплектацию прибора параметром, а следовательно его цену, будет являться выбор той или иной горелки.

Газовая горелка теплогенератора.

Горелочное устройство в газовый теплогенератор может быть в трёх модификациях:

• Одноступенчата газовая горелка
• Двухступенчатая газовая горелка
• Модулируемая газовая горелка

Каждая из выбранных будет определять не только точность настройки и регулирования температуры, но и расхода газа, так как одноступенчатая горелка будет работать лишь в одном диапазоне расхода, двухступенчатая сможет эксплуатироваться в двух стадиях, а модулируемая позволит приводить расход топлива к максимальному соответствию заданной на пульте управления теплогенератором, температуре. Кроме этого более высокий класс горелки позволит существенно увеличить ресурс бесперебойной работы прибора.

Для получения подробной консультации по воздушной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также подобрать Газовый теплогенератор, звоните по телефону +79603507799 ИЛИ НАПРАВЬТЕ СВОЁ ОБРАЩЕНИЕ НА ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ [email protected]

Что такое вихревой теплогенератор? — Моссом.ру в Москве

Вихревой теплогенератор — это теплогенератор, который работает на воде и используется для преобразования электрической энергии в тепловую.

Начало этого изобретения, достаточно необычно, было положено еще в начале 20 века во Франции. Жозеф Ранк исследовал свойства искусственно созданного вихря в вихревой трубе. Он заметил, что, выходя из этой трубы воздушный поток, разделялся на теплую и холодную струю. Дальше исследования по данному явлению в Германии продолжил ученый Роберт Хилш. Он усовершенствовал конструкцию вихревой трубы и тем самым добился увеличения разности температур воздушных потоков. Но так как обосновать данное явление они не смогли, то практическое применение данного эффекта не могло найти еще долгое время.

Первым из ученых, которому пришло в голову запустить в вихревую трубу воду стал Александр Меркулов. Так как воду в отличие от газа сжать невозможно эффекта разделения потоков никто не ожидал. Но результат превзошел ожидания. Вода, проходя по улитке, быстро нагревалась с эффективностью более 100%.

Хоть теория, используемая в вихревых теплогенераторах, до сих пор не объяснена, но между тем отлично нашла свое применение на практике.

Конструкция вихревого теплогенератора представляет собой цилиндрический корпус, в котором установлен циклон и гидравлическое тормозное устройство. Вода под давлением подается на циклон, после чего, пройдя по сложной траектории, гасится в тормозном устройстве. Вся система работает в импульсном режиме.

В качестве теплоносителя в вихревых теплогенераторах используется вода или такие жидкости как тосол, антифриз. Работает такой теплогенератор в автоматическом режиме. Нагрев происходит за 1-2 часа в зависимости от температуры окружающей среды и объема отапливаемого помещения.

Такой способ обогрева экологически чистый и пожаро- и взрывобезопасный.

21 февраля 2011

Все права на статьи принадлежат их авторам. При использовании материалов прямая ссылка на статью обязательна. Ссылка не должна быть запрещена к индексации.

на дровах, газу и жидком топливе, особенности газовых и дизельных моделей

Теплогенератор представляет собой нагревательный агрегат, основная задача которого состоит в получении обогрева теплоносителя с помощью сжигания топлива нескольких видов.

Большинство подобных аппаратов применяются с целью отопления помещений, а также для получения горячей воды в зданиях разного назначения.

Преимущества теплогенераторов для воздушного отопления

Высокая стоимость электроэнергии отрицательно сказывается на популярности отопительного оборудования, в том числе теплогенераторов. Однако эти аппараты обладают рядом положительных моментов, ради которых их стоит приобретать. Чаще всего нагревательные генераторы используются в домах с небольшой площадью. Их можно использовать не только как отопительный механизм, но и в качестве нагревателя горячей воды.

Теплогенераторы пользуются популярностью у потребителей. Способствуют этому следующие факторы:

• Распространение теплового потока на большие расстояния.
• Разнообразие моделей с различными диапазонами мощностей.
• Возможность изменения скорости вентилятора отопителя.
• Высокий коэффициент полезности оборудования.
• Долгий срок автономности устройств.
• Низкий уровень шума при работе.

Устройство аппарата

По своим функциям эти устройства практически не отличаются от тепловых пушек, за исключением стационарности. Простейший теплогенератор состоит из вентилятора, камеры сгорания и воздушного теплообменника. Генераторы способны работать на различном топливе. Наиболее распространены аппараты на газе и на дизеле. Если же в конструкции используется горелка, то в качестве топлива применяется масло.

Принцип работы

После поступления топлива в камеру сгорания генератора, полученные горячие газы попадают в теплообменник. Затем эти газы направляются в дымоход.

Обогрев происходит за счёт обдува теплообменника воздухом, полученным с помощью вентилятора. Тёплый воздух распространяется по помещению через систему вентиляции устройства.

Новые модели теплогенераторов оснащаются специальными механизмами для отвода образующегося конденсата. Эта доработка полезна в тех случаях, когда аппарат подвергается частым перепадам температуры.

Разновидности

Основное различие между моделями теплогенераторов заключается в виде топлива, используемого для нагрева. А также существуют различия в нагревательном элементе. Такими элементами служит воздух либо вода.

Дизельный

Устройства этого типа работают на солярке либо керосине. Дизельные теплогенераторы подходят для обогрева крупных помещений промышленного типа. Подача топлива осуществляется двумя способами: капельным либо с помощью форсунки, разбрызгивающей топливо по зоне сгорания.

Помимо дизтоплива, в генераторах, оборудованных специальной горелкой, используются масла и жиры растительного происхождения. Однако этот вид топлива постоянно вырабатывает шлаки, которые со временем приходится прочищать, что приводит к простою устройства.

Фото 1. Схема устройства дизельного теплогенератора. Указаны основные части, движение холодного и теплого воздуха.

Газовый

Этот тип рассчитан на постоянную подачу горячего воздуха в помещения. Газовые генераторы устанавливаются вертикально. Теплообменник получает максимальную часть тепла из продуктов горения, тем самым понижая летучесть дыма. Именно поэтому теплогенераторы этого типа предусматривают обязательную установку вентилятора, который улучшает вытяжку. Коэффициент полезного действия газовых агрегатов достигает 90%.

Важно! При покупке газовых моделей теплогенераторов, стоит учитывать его способность работы при низком давлении газа.

Вам также будет интересно:

Универсальный

Такой тип генераторов схож с дизельными аппаратами. Однако в случае с универсальными устройствами в качестве топлива можно использовать растительные жиры. Мощность дизельного генератора намного выше, в сравнении с оборудованием, работающем на маслах и растительных жирах.

Вихревой

Отличается сложностью конструкции. Принцип работы основан на вихревом эффекте, при котором газ или жидкость разделяется на две части и образует вихрь.

При таком процессе наблюдается активное повышение температуры в камере сгорания.

Как работает на угле, дровах, коксе

Этот тип отопительного агрегата использует в качестве топлива различные виды твёрдого топлива: уголь, дрова, кокс. Многие потребители используют специальные отходы, полученные после переработки растений. Важнейшим фактором для хорошего нагрева аппарата является теплоотдача твёрдого топлива, поэтому большинство покупателей используют топливо с самым высоким КПД.

Большинство твердотопливных генераторов способны выдавать КПД на уровне 90%. Аппараты выделяют тепло на протяжении 5—8 часов, при этом достаточно одной закладки твёрдого топлива.

Наиболее распространены котлы, созданные из чугуна или стали. Большей популярностью пользуются чугунные генераторы тепла, так как данный металл способен длительное время выделять тепло.

Однако этот материал довольно хрупкий, так как чугун подвержен перегреву, и как следствие, на котлах образуются трещины.

Стальные котлы менее подвержены перепадам температур, но имеют ряд других недостатков.

При работе с данными теплогенераторами стоит постоянно загружать топливо в камеру сгорания. Твердотопливное оборудование требует особого и постоянного внимания со стороны человека, но, в то же время, их удобство заключается в доступности твёрдого топлива.

Особенности теплогенераторов на жидком топливе и газе

Этот вид теплового агрегата способен работать на природном газе либо на дизеле. В новейших моделях есть функция быстрой смены вида топлива. Для этого предусмотрена специальная горелка и дополнительный шкаф управления.

Этот тип генераторов работает по следующему принципу: в камеру сгорания попадает топливо, где смешивается с воздухом, поступающим по вентиляции, после этого нагретый воздух проходит через теплообменник и распространяется по всему помещению.

​

Особенность теплогенераторов на жидком топливе заключается в простоте эксплуатации. Для начала обогрева достаточно залить топливо, и запустить прибор. А также отмечается невысокая цена.

Такие отопители мобильны, поэтому их использование не доставит лишних проблем.

Полезное видео

В видео демонстрируется система воздушного отопления теплицы при помощи теплогенератора GRV на дровах.

Рекомендации по выбору

Прежде чем приобрести теплогенератор, стоит определиться с параметрами, за которые он будет отвечать. Заранее выбирается тип топлива, на котором будет работать теплогенератор. Газ — наиболее дешёвое.

Если важна надёжность прибора, то стоит обратить внимание на дизельные генераторы. Они также эффективны, но имеют недостаток в виде шумной работы устройства.

Электрогенераторы не требуют специальных разрешений, но не пользуются популярностью у потребителей по причине высокой стоимости электроэнергии

Показатель мощности — главный фактор при выборе устройств обогревательного типа. Если необходима установка для частного использования, то не стоит приобретать модели, вырабатывающие излишнюю энергию.

Теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

Не секрет, что ежегодная стоимость отопления дома сильно зависит от вида используемого топлива или источника тепла. Самое дешевое – отопление магистральным газом (но вот только подключить газ совсем недешево…). Самое дорогое – отопление сжиженным газом или дизельным топливом. В середине стоит отопление на твердом топливе (например, пеллетами) и отопление электричеством.

Статьи по теме

Кроме того, все большую популярность приобретают экологичные и энергосберегающие способы отопления – солнечными коллекторами или тепловыми насосами, использующие даровую энергию природы.

Если вы установили в своем доме систему воздушного отопления Антарес Комфорт, то вы можете использовать любой вид отопления, или другими словами – любой теплонегератор из перечисленных выше!

Давайте посмотрим на схему воздушного отопления Антарес Комфорт и разберемся, как оно работает:

Сердцем нашей системы является агрегат воздушного отопления АВН (10). В нем размещены электрический нагреватель (11) и водяной теплообменник 12 (либо оба сразу, либо только один из них). Также в АВН размещен вентилятор (13). Электрический нагреватель может нагревать воздух непосредственно, а водяной теплообменник использует для нагрева воздуха горячую воду, нагретую котлом (16), причем котел может быть любой – газовый, электрический, дизельный и т. д., главное, чтобы его мощности хватало для обогрева дома.

Нагретый в АВН воздух по жесткому магистральному воздуховоду (9) и далее по гибким шумоглушащим воздуховодам (2 и 23) подается в комнаты дома. Количество подаваемого воздуха (а значит и желаемая температура) регулируется заслонками (3 и 18). На концах гибких воздуховодов (2 и 23) стоят переходники с круглого сечения на прямоугольное сечение для того, чтобы установить на выходах воздуховодов прямоугольные вентиляционные решетки (они выглядят более эстетично, чем круглые).

Из комнат воздух забирается гибкими шумоглушащими воздуховодами (7), которые соединены с жестким обратным магистральным воздуховодом, который в свою очередь соединен с обратным коллектором (15). К обратному магистральному воздуховоду подсоединен и отдельный воздуховод для вентиляции и подачи в дом небольшой части свежего воздуха с улицы (20) с регулировочной заслонкой (21).

Из обратного коллектора (15) воздух попадает сначала в фильтр очистки (14) (либо дешевый механический, либо более дорогой электронный), а затем, уже очищенный от пыли и грязи – снова в АВН, замыкая таким образом контур воздушного отопления в кольцо.

Управляется АВН с помощью блока автоматики (8), который в свою очередь управляется электронным программируемым термостатом (6).

Разобравшись в работе воздушного отопления Антарес Комфорт, разберемся с тем, какие можно использовать теплогенераторы для воздушного отопления.

Электрические теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

Как уже было сказано выше, в составе АВН может поставляться электрический нагреватель НЭ (11) – это электрический теплогенератор для воздушного отопления, позволяющий отапливать дом электричеством. Похожие электрические теплогенераторы стоят в американских и канадских агрегатах воздушного отопления – аэрохэндлерах Goodman, Lennox.

Газовые теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

Кроме электрического нагревателя НЭ в АВН может стоять и водяной теплообменник НВ. Впрочем, при наличии водяного теплообменника НВ электрический нагреватель может и не устанавливаться – все зависит от конкретного заказа. Водяной теплообменник позволяет использовать для нагрева воздуха горячую воду, нагретую предварительно отопительным котлом (16) – котел может работать на любом виде топлива. Если этот котел использует для нагрева газ – то мы получим газовый теплогенератор для воздушного отопления.

Стоит сказать, что в американских и канадских системах воздушного отопления также широко используются газовые теплогенераторы – но не в виде отдельных котлов отопления, а встроенные в печи воздушного отопления (со своими собственными вентиляторами) — Goodman, Lennox, Nordyne. В таких печах прогоняемый через них встроенным вентилятором воздух нагревается сгорающим газом, без использования промежуточного теплоносителя – воды – как в системе Антарес Комфорт. Газовая печь воздушного отопления требует регулярного контроля и обслуживания, да и воду для умывания она не нагреет. А газовый отопительный котел можно использовать не только для отопления, но и для горячего водоснабжения и для теплых полов.

Дизельные теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

Если наш отопительный котел (16) использует для нагрева воды дизельное топливо, то у нас будет дизельный теплогенератор для воздушного отопления.

Твердотопливные теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

Вы установили себе отопительный котел, который использует для нагрева воды твердое топливо? Значит теперь у вас есть твердотопливный теплогенератор для воздушного отопления.

Вообще говоря, из твердотопливных котлов наиболее удобны сейчас котлы на пеллетах – они позволяют контролировать отопление с помощью автоматики (в том числе и загружать котел топливом может тоже автоматика).

Однако совместно с воздушным отоплением Антарес Комфорт можно использовать не только отопительные котлы. В качестве источников тепла – теплогенераторов – могут выступать и обычные печи и даже камины! Печь может быть установлена в топочной и греть воздух там. А воздушное отопление по системе воздуховодов уже разнесет нагретый воздух по всему дому. То же самое и с камином. Камин греет, например, гостиную, а воздушное отопление разносит теплый воздух в остальные комнаты. А топить камин можно и обычными дровами или углем. Теоретически, ни электрический нагреватель НЭ, ни водяной теплообменник НЭ в этом случае вообще не нужен. Но с другой стороны, отапливать большой дом буллерьяном или камином не очень удобно – автоматически дрова в них не загрузишь, и температуру контролировать тоже придется самому. А вот в качестве дополнительного источника тепла на случай неожиданных лютых морозов камин вполне может работать какое-то время, пока не потеплеет. Более подробно об этом можно прочитать в статье камин с воздушным отоплением Антарес Комфорт

Солнечные теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

Вода для водяного теплообменника НВ может быть нагрета не только отопительным котлом, но и солнечным коллектором с использованием энергии солнца. Таким образом, при установке на крыше дома солнечных коллекторов, они будут работать как солнечные теплогенераторы для воздушного отопления. Подробнее об этом смотрите в статье солнечное воздушное отопление Антарес Комфорт.

Тепловые насосы — теплогенераторы для воздушного отопления Антарес Комфорт

В качестве теплогенератора для воздушного отопления может выступать и другое современное устройство – тепловой насос. Тепловой насос использует для отопления энергию солнца (но несколько иначе, чем солнечный коллектор) или энергию геологических процессов, протекающих в глубине Земли. Однако для наших климатических условий не каждый тепловой насос сможет обогревать дом круглый год – возможно, потребуется в дополнение к тепловому насосу установить еще и резервный электрический нагреватель. А вот в межсезонье любой тепловой насос даст необходимое количество тепла и поможет немного сэкономить на отоплении. Об использовании тепловых насосов в качестве теплогенераторов для воздушного отопления более подробно смотрите статью воздушное отопление тепловым насосом Антарес Комфорт.

Если вы хотите более подробно узнать о том, что такое воздушное отопление дома – посмотрите соответствующий раздел (воздушное отопление дома). А в разделе система воздушного отопления дома Антарес Комфорт подробно рассказано о нашей системе воздушного отопления, ее основных преимуществах и особенностях.

Купить воздушное отопление Антарес Комфорт в Москве можно, либо позвонив в группу компаний Антарес, либо написав нам на электронную почту.

Как работают термоэлектрические генераторы | ООО «Прикладные термоэлектрические решения»

Как работают термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — это твердотельные полупроводниковые устройства, которые преобразуют разницу температур и тепловой поток в полезный источник постоянного тока. Полупроводниковые устройства термоэлектрического генератора используют эффект Зеебека для генерации напряжения. Это генерируемое напряжение управляет электрическим током и создает полезную мощность на нагрузке.

Модуль термоэлектрического генератора

Термоэлектрический генератор — это не то же самое, что термоэлектрический охладитель. (также известный как TEC, модуль Пельтье, чипы охлаждения, твердотельное охлаждение)

Термоэлектрический охладитель работает наоборот термоэлектрического генератора. Когда на термоэлектрический охладитель подается напряжение, возникает электрический ток. Этот ток вызывает эффект Пельтье. Благодаря этому тепло перемещается с холодной стороны на горячую. Термоэлектрический охладитель также является твердотельным полупроводниковым прибором. Компоненты такие же, как у термоэлектрического генератора, но конструкция компонентов в большинстве случаев отличается.

В то время как термоэлектрические генераторы используются для выработки энергии, термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) используются для отвода или добавления тепла. Термоэлектрическое охлаждение имеет множество применений в охлаждении, обогреве, охлаждении, контроле температуры и терморегулировании.

В остальном этот пост посвящен термоэлектрическим генераторам.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

Основным строительным блоком термоэлектрического генератора является термопара. Термопара состоит из одного полупроводника p-типа и одного полупроводника n-типа. Полупроводники соединены металлической полосой, которая соединяет их последовательно. Полупроводники также известны как термоэлементы, кубики или гранулы.

Пара термоэлектрических генераторов
Термоэлектрический генератор (гранулы, кубики, полупроводники, термоэлементы)

Эффект Зеебека — это прямое преобразование энергии тепла в потенциал напряжения. Эффект Зеебека возникает из-за движения носителей заряда внутри полупроводников.В легированных полупроводниках n-типа носителями заряда являются электроны, а в легированных полупроводниках p-типа носителями заряда являются дырки. Носители заряда диффундируют от горячей стороны полупроводника. Эта диффузия приводит к скоплению носителей заряда на одном конце. Это накопление заряда создает потенциал напряжения, который прямо пропорционален разнице температур в полупроводнике.

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Для термоэлектрических генераторов обычно используются три материала. Эти материалы представляют собой теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Какой материал используется, зависит от характеристик источника тепла, радиатора и конструкции термоэлектрического генератора. Многие материалы для термоэлектрических генераторов в настоящее время проходят исследования, но еще не реализованы.

Теллурид сурьмы и висмута (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Для создания модуля термоэлектрического генератора многие пары p-типа и n-типа электрически соединяются последовательно и / или параллельно для создания требуемых электрического тока и напряжения.Пары помещаются между двумя параллельными керамическими пластинами. Пластины обеспечивают жесткость конструкции, плоскую поверхность для монтажа и диэлектрический слой для предотвращения коротких замыканий.

Модуль термоэлектрического генератора

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

До недавнего времени считалось, что Томас Зеебек открыл то, что сегодня известно как эффект Зеебека. Сейчас считается, что Алессандро Вольта открыл эффект Зеебека за 27 лет до Томаса Зеебека.Открытие произошло за 224 года до написания этой статьи.

В 1794 году Алессандро Вольта провел эксперименты, в которых он придал железному стержню U-образную форму. Один конец стержня нагревали, погружая его в кипящую воду. Когда неравномерно нагретый стержень был электрически соединен с уже не живой ногой лягушки, через ногу лягушки пропускался ток, и мышцы сокращались. Считается, что это первая демонстрация эффекта Зеебека.

Алессандро Вольта

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что при нагревании одного из стыков двух соединенных разнородных металлов стрелка компаса, расположенная на близком расстоянии, вращается.Первоначально это называлось термомагнитным эффектом. Позже было обнаружено, что напряжение и, следовательно, ток индуцировались нагревом перехода. Ток создавал магнитное поле по закону Ампера. Это индуцированное напряжение из-за нагрева перехода стало известно как эффект Зеебека.

Строго говоря, термоэлектрические генераторы воспринимают разницу температур и превращают ее в электрическую энергию. Удивительно, но эти материалы можно использовать и наоборот! Если вы включите термоэлектрический генератор, вы создадите разницу температур.Небольшие мини-холодильники, рассчитанные всего на несколько напитков, используют термоэлектрические генераторы для эффективного охлаждения нескольких напитков.

Чтобы понять, как термоэлектрики генерируют электричество из-за разницы температур, мы должны немного узнать о том, как электроны движутся в металле. Металлы являются хорошими проводниками, потому что электроны могут свободно перемещаться внутри них, как жидкость в трубе. Представьте, что у вас есть труба, полная воды, и вы поднимаете один конец, что происходит? Вода будет стекать по трубе от верхнего конца к нижнему.Это потому, что, когда вы поднимаете трубу, вы увеличиваете потенциальную энергию, и вода хочет течь вниз. В термоэлектрическом материале то же самое происходит с жидкообразными электронами, когда вы его нагреваете.

Нагрев одного конца термоэлектрического материала заставляет электроны перемещаться от горячего конца к холодному концу. Когда электроны переходят с горячей стороны на холодную, это вызывает электрический ток, который PowerPot использует для зарядки USB-устройств. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и, следовательно, больше энергии.

Сложность термоэлектрических генераторов заключается в том, что при нагревании горячей стороны нагревается и холодная сторона генератора. Для выработки энергии с помощью термоэлектрического генератора вам понадобится как источник тепла, так и способ рассеивания тепла, чтобы поддерживать разницу температур между термоэлектрическими материалами. Это делается без движущихся частей путем нагрева воды в PowerPot. Вода удерживает в несколько раз больше тепла, чем алюминий на фунт, поэтому из нее получается прекрасный радиатор.Кроме того, вода никогда не нагревается выше 212 F (100 C) при кипении, что эффективно ограничивает максимальную температуру «холодной» стороны термоэлектрического генератора. Вот почему в PowerPot всегда должно быть что-то водянистое, иначе термоэлектрический генератор может перегреться.

Этот рендеринг показывает распределение температуры в PowerPot во время работы с некоторыми удаленными деталями для ясности.

Предпосылки создания термоэлектриков

Термоэлектрическая мощность — это преобразование перепада температур непосредственно в электрическую мощность.Термоэлектрическая энергия возникает в основном за счет двух физических эффектов: эффекта Зеебека и эффекта Пельтье.

Эффект Зеебека назван в честь Томаса Дж. Зеебека, который первым открыл это явление в 1821 году. Зеебек заметил, что когда петля, состоящая из двух разнородных материалов, нагревается с одной стороны, создается электромагнитное поле. Он действительно открыл электромагнитное поле прямо с помощью компаса! Он отметил, что сила электромагнитного поля и, следовательно, напряжение пропорциональны разнице температур между горячей и холодной сторонами материала, которая создает разницу напряжений. Величина коэффициента Зеебека (S) зависит от материала и температуры эксплуатации. Таким образом, коэффициент Зеебека определяется как:

В этом уравнении ΔV — это разница напряжений между горячей и холодной сторонами, ΔT — это разница температур между горячей и холодной сторонами. Отрицательный знак происходит из-за отрицательного заряда электрона и правил протекания тока. Отрицательный коэффициент Зеебека приводит к тому, что электроны являются доминирующими носителями заряда (n-тип), тогда как дырки являются доминирующими носителями заряда (p-тип) в материалах с положительным коэффициентом Зеебека.Говорят, что большинство носителей заряда движутся от нагретой стороны к более холодной стороне. Неосновные носители заряда движутся в противоположном направлении, но с меньшей скоростью из-за фононного увлечения и скорости диффузии носителей заряда. Таким образом, для протекания тока в устройстве требуются материалы как n-типа, так и p-типа.

Что нужно помнить об эффекте Зеебека:

• В твердых телах есть носители заряда, которые способствуют передаче электроэнергии
• Носители заряда бывают двух видов: отрицательные электроны «n-типа» и положительные «дырки», которые мы используем для отслеживания подвижного положительного заряда в твердых телах «p-типа»
• Нагрев одного конца проводящего твердого тела увеличивает концентрацию носителей заряда, и распределение заряда создает напряжение, которое можно измерить. Это называется эффектом Зеебека.

Эффект Пельтье был впервые открыт в 1834 году Жаном К.А. Пельтье, в честь которого он был назван. Пельтье обнаружил, что всякий раз, когда в цепи из двух разнородных материалов проходит ток, тепло поглощается на одном конце перехода и выделяется на другом. Это линейно зависимый и термодинамически обратимый процесс, в отличие от джоулева нагрева, который является необратимым и квадратичным по своей природе средним. Этот процесс составляет основу термоэлектрического охлаждения и контроля температуры, в настоящее время это самые широкие применения термоэлектрических устройств.

Однако, применяя перепад температур, происходит обратный процесс, и ток течет, тем самым генерируя мощность.На рисунке ниже показано устройство TEP как в конфигурации охлаждения, так и в конфигурации выработки электроэнергии.

Термоэлектрический охладитель (слева) и генератор энергии (справа). Текущий поток отмечен в направлении электронов.

Эффективность, с которой материал способен вырабатывать энергию, определяется добротностью (Z). Как видно из приведенного ниже уравнения, добротность больше всего зависит от коэффициента Зеебека материала.

В приведенном выше уравнении добротность определяется в терминах коэффициента Зеебека, электропроводности и теплопроводности.Для получения максимальной мощности требуется минимизация теплопроводности при максимальном коэффициенте Зеебека и электропроводности.

PowerPot — это термоэлектрический генератор, который использует тепло для выработки электроэнергии. PowerPot не имеет движущихся частей или батарей, а поскольку термоэлектрическая технология встроена в дно кастрюли, она может вырабатывать электричество из самых разных источников тепла. Просто добавьте воды и поставьте PowerPot на огонь (например,грамм. дерево, пропан, бутан, спирт, газ), и через несколько секунд он начнет вырабатывать электричество. Просто подключите высокотемпературный кабель к задней части кастрюли и смотрите, как ваши USB-устройства безопасно заряжаются от огня.

Чем больше разница температур между водой в кастрюле и дном кастрюли, тем больше электроэнергии будет производить PowerPot. Например, таяние снега в PowerPot — отличный способ генерировать электричество, потому что снег намного холоднее пламени. Однако вам не нужно беспокоиться о перегрузке вашего устройства, потому что PowerPot имеет встроенный регулятор, который гарантирует безопасную зарядку ваших USB-устройств.Регулятор выдает 5 вольт (стандарт USB) и ток до 1000 миллиампер, что является максимумом, с которым может справиться любой смартфон / MP3-плеер на рынке. Это означает, что при зарядке USB-устройства с помощью PowerPot время зарядки будет таким же, как и от домашней розетки.

Постройте термоэлектрический генератор, подобный генераторам, которые используются для миссий в глубоком космосе

Как вы можете видеть по вольтметру, я получаю 1,2 милливольта. Это немного, но кое-что.(Если вам интересно, масса на горячей пластине должна подтолкнуть соединение медь-сталь вниз для обеспечения хорошего контакта. )

То, что вы видите здесь, является эффектом Зеебека (названным в честь Томаса Зеебека). Два разных металла вместе при двух разных температурах могут создавать электрический ток. Эффект более выражен при большей разнице температур, и некоторые комбинации металлов работают лучше, чем другие, но вот он, ваш термоэлектрический генератор.

На самом деле, вы можете сделать генератор лучше, используя полупроводник вместо двух разных металлов, но двухметаллический вариант построить намного проще.Вот демонстрация полупроводника. Устройство зажато между двумя алюминиевыми ножками, одна ножка находится в горячей воде, а другая — в холодной. Выход из устройства идет в небольшой электродвигатель сверху.

Итак, как это работает? Почему из-за разницы температур (для разных металлов) возникает электрический ток? Я не буду вдаваться в подробный рассказ о , так как это займет слишком много времени. Но вот мой суперкороткий ответ: у электрического проводника есть свободные заряды, которые могут перемещаться (несколько). Когда вы прикладываете электрическое поле, эти заряды перемещаются и создают электрический ток. Обычно мы думаем об этих зарядах как об электронах, но это может быть что-то еще. Если вы возьмете металл и сделаете один конец горячим, а другой — холодным, электроны на горячей стороне будут иметь больше энергии и двигаться дальше. Эти более горячие электроны распространяются, и на холодном конце электроны имеют меньше энергии. Степень разделения заряда зависит от конкретного металла.

Теперь возьмем другой металл с двумя концами при разных температурах.Но поскольку этот металл отличается от первого, у него будет другое разделение заряда на горячем и холодном концах. Когда эти разные металлы соединяются вместе, они образуют батарею — не очень хорошую батарею, но все же это как батарея. И бум — вот и твой термоэлектрический генератор.

Если вы думаете о создании термоэлектрического генератора для питания вашего дома, у меня плохие новости. Эти вещи очень неэффективны. Чтобы извлечь из них что-то полезное, нужны довольно большие перепады температур. Однако есть и хорошие новости. Эти термоэлектрические генераторы не имеют движущихся частей. Отсутствие движущихся частей означает, что они маленькие и довольно надежные. И поэтому они используются в некоторых космических кораблях (например, «Вояджер», «Кассини» и др.). Чтобы изменить температуру, космический корабль будет использовать радиоактивный источник, который остается очень горячим — вот и все. Вот как работает ваш радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ). Это как скрепка и генератор из медной проволоки, только лучше.

Информация о модулях термоэлектрических генераторов, модулях ТЭГ и силовых термоэлектрических генераторах ТЭГ

Научное руководство по пониманию и использованию TEG Power!

Науку (эффект Зеебека), лежащую в основе термоэлектрической генерации, часто называют феноменом. Мы считаем, что TEG, несомненно, необыкновенные и впечатляющие! Иногда они могут быть непонятными для понимания и сложными в использовании. Вот почему мы составили это краткое руководство, чтобы объяснить, как ТЭГ преобразуют тепло в энергию, из каких частей и компонентов они сделаны, и как вы можете легко использовать их для практических решений альтернативной энергетики.Независимо от того, находитесь ли вы вне сети, живете в удаленном районе или в холодных условиях, вероятно, для вас найдется приложение, в котором можно использовать ТЭГ для преобразования отработанного тепла в электричество.

Начнем с того, что ТЭГ, сокращение от термоэлектрического генератора, представляет собой устройство, преобразующее разницу температур в электричество. Я объясню, как именно это происходит (эффект Зеебека) позже. Но сначала давайте рассмотрим общую терминологию TEG. Знание этих терминов и их взаимосвязи поможет облегчить понимание TEG.

Термоэлектрический модуль
В основе ТЭГ находится термоэлектрический модуль (ТЭМ), который мы также называем ТЭГ-модулем (на рисунке справа показан ТЭГ-модуль от TEGpro). И внутри этого модуля TEG происходит волшебство (эффект Зеебека).

Термоэлектрический генератор
Генератор ТЭГ — это устройство, в котором в качестве основных компонентов используется один или несколько модулей ТЭГ, за которыми следует система охлаждения. Система охлаждения может быть пассивной воздушной, активной воздушной или гидравлической.Эти компоненты затем собираются в сборку, которая функционирует как единое целое, называемое термоэлектрическим генератором (здесь изображен ТЭГ-генератор Devil Watt с активным воздушным охлаждением).

Термоэлектрическая система
Делая шаг вперед, система ТЭГ включает другое оборудование в ТЭГ, например водяные насосы, электронику и прошивку. Это помогает расставить приоритеты по мощности и поддерживать охлаждение системы. Хорошим примером системы ТЭГ является система ТЭГ TEGpro 100 Вт с водяным охлаждением, которая будет циркулировать воду из системы водяного отопления плинтуса через ТЭГ с водяным охлаждением.

Теперь о науке.

Эффект Зеебека
Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что разница температур между двумя разными металлами приводит к разнице напряжений. Уделите несколько секунд, чтобы просмотреть изображение справа, вы увидите два разных электрических проводника, которые называются: P-типа и N-типа. Происходит то, что нагретые электроны текут к более холодным (см. Положительные / отрицательные стрелки, указывающие вниз). И когда эта пара соединена через электрическую цепь, через нее течет постоянный ток.

Эффект Зеебека в сравнении с эффектом Пельтье
Эффект Пельтье — это обратное явление. Вместо применения разницы температур через материалы пропускается электрический ток, в результате чего происходит нагрев или охлаждение. Наша цель состояла в том, чтобы определить их как можно проще и предоставить изображения для их представления, но если вам нужны определения из Википедии, их можно увидеть здесь.

Эффект Зеебека внутри модуля ТЭГ
Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, малы и зависят как от используемого материала, так и от разницы температур.Однако внутри модуля ТЭГ имеется несколько пар P-типа и N-типа, которые можно соединить последовательно для увеличения выходного напряжения или параллельно для увеличения тока. На изображении справа вы можете видеть материалы P-типа и N-типа, последовательно соединенные желтыми линиями.

Как изготавливаются модули термоэлектрических генераторов?
Конструкция силового модуля Teg состоит из пар полупроводниковых материалов p-типа и n-типа с высоким термоэлектрическим коэффициентом.Хотя можно использовать многие сплавы, теллурид висмута является наиболее распространенным материалом, используемым сегодня. Этот материал нарезан на небольшие блоки, один из которых образует провод p-типа, а другой — провод n-типа. Каждая пара образует термоэлектрическую пару (ТЭП). Эти термопары чаще всего соединяются электрически, образуя массив из нескольких термопар (термобатареи). В отличие от припоя, используемого в конструкции ТЭО, для модулей термоэлектрических генераторов часто требуются припои, температура оплавления которых превышает 400 C.

Большинство компаний-производителей модулей термоэлектрических генераторов используют множество термоэлектрических пар, которые зажаты между двумя частями неэлектропроводных материалов. Также необходимо, чтобы этот материал был теплопроводным, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу, обычно используются две тонкие керамические пластины, чтобы сформировать так называемый термоэлектрический модуль.

Каждый модуль может содержать десятки пар термоэлектрических пар и называться модулями термоэлектрического генератора, модулями ТЕС и иногда модулями Пельтье или Зеебека, что просто означает, используются ли они для выработки электроэнергии (Зеебек) или для производства тепла или холода (Пельтье). .Функционально между ними нет никакой разницы. Оба они способны производить тепло и холод или вырабатывать электричество, в зависимости от того, используется ли тепло или электрический ток.

Однако существуют различия в производительности между различными модулями в зависимости от того, для чего они были изготовлены. Например, если модуль изготавливается для использования в автомобильном охладителе постоянного тока на 12 В, термоэлектрические пары будут более толстыми, как и провод, соединяющий модули с источником питания постоянного тока 12 В.В большинстве случаев сам модуль довольно большой. Это связано с тем, что модуль будет проводить большую нагрузку по току и должен будет выдерживать нагрузку. Хотя этот тип модулей может использоваться для выработки электроэнергии, они не очень подходят для этой задачи, поскольку имеют высокое внутреннее сопротивление (снижение мощности) и более низкотемпературный припой, который может расплавиться при использовании в целях Зеебека. Это означает, что электрическое соединение может выйти из строя, когда к модулю будет приложено большее количество тепла, необходимое для выработки значительного количества электроэнергии.

Если термоэлектрический модуль изготавливается для использования в термоэлектрическом генераторе, он имеет свои собственные уникальные требования. Во-первых, они должны иметь самое низкое внутреннее сопротивление и высокотемпературный припой, например, из серебра, для соединения проводов. Также необходимо использовать проволоку с покрытием из ПТФЭ или стекловолокна, чтобы выдерживать высокие температуры. Силиконовые рукава из стекловолокна можно надевать на провода, чтобы обеспечить дополнительную защиту от высоких температур.

Сколько электроэнергии можно произвести?
Вы можете быть сильно удивлены! Несмотря на то, что дровяная печь не считается источником отработанного тепла, ниже приведен пример того, сколько энергии вы можете произвести.Используется 15-ваттный дьявольский ватт-генератор, построенный на термоэлектрических модулях Tegpro. Выходная мощность этого термоэлектрического генератора составляет до 15 Вт, а светильник представляет собой 10-ваттный светильник EverLed LVL2 для скрытого монтажа. Компания Tegpro разработала термоэлектрические генераторы для дровяных печей, мощность которых превышает 200 Вт при производстве термоэлектрической энергии!

Потребность в энергии термоэлектрического генератора
Электроэнергия — необходимость. Если вам когда-либо приходилось страдать из-за длительного отключения электроэнергии, вы бы знали, каково это — потерять всю еду в холодильнике.Если вы живете в холодном климате, ваш дом был холодным, потому что у вас нет тепла, так как большинству систем отопления требуется электричество для работы. Миллионы людей оказались в таком положении, когда зимний шторм отключил электричество на больших территориях.

Солнечные панели — отличный возобновляемый источник энергии, но они производят энергию только в дневное время. Их суточная выработка значительно снижается в более короткие дни в зимние месяцы. Использование генераторов TEG в холодном климате в сочетании с солнечной энергией может обеспечить все потребности вашего дома в энергии.

Преимущества термоэлектрического генератора
Когда вы сравните стоимость солнечных и термоэлектрических генераторов, живущих в холодном северном климате (на основе количества электроэнергии, которую они фактически производят в день), вы обнаружите, что термоэлектрические генераторы TEG Power стоят намного меньше за кВтч. чем солнечная. Фотоэлектрический эквивалент 100 Вт мощности ТЭГ, работающей на дровяной печи, составляет 660 Вт солнечных панелей или 2,4 кВтч в день. Это означает, что при усреднении 125-ваттной термоэлектрической мощности в доме в Вермонте можно производить такое же количество электроэнергии в день, как и 1000-ваттные солнечные фотоэлектрические панели.Если сравнивать затраты, диапазон цен на 1000 ватт солнечной энергии составит до 3000 долларов в зависимости от конкретной марки. Тогда как стоимость 125-ваттной термоэлектрической энергии может составлять всего 1200 долларов. В отличие от солнечных батарей, ТЭГ не зависят от солнца для выработки энергии. Если у вас есть постоянный источник тепла, например дрова или пеллеты, ТЭГ могут производить электроэнергию 24 часа в сутки. В отличие от генераторов на ископаемом топливе, ТЭГ имеют мало движущихся частей, кроме охлаждающих вентиляторов или насосов водяного охлаждения, и могут быть рассчитаны на более чем 100 000 часов непрерывной работы.

Высокопроизводительный переносной термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, утилизации и реконфигурации в стиле Lego

Abstract

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются отличным кандидатом для питания носимой электроники и «Интернета вещей» благодаря своим возможностям прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Здесь мы сообщаем о высокопроизводительном переносном ТЭГ с превосходной растяжимостью, самовосстановлением, возможностью повторного использования и реконфигурируемостью, подобной Lego, за счет объединения модульных термоэлектрических чипов, динамического ковалентного полиимина и текучей жидкометаллической электропроводки в конструкции механической архитектуры « мягкие материнские платы — жесткие подключаемые модули. «Достигнуто рекордно высокое напряжение холостого хода среди гибких ТЭГ, достигающее 1 В / см ² при разнице температур 95 К. Кроме того, этот ТЭГ интегрирован с селективной по длине волны пленкой из метаматериала на холодной стороне, что позволяет для значительного повышения производительности устройства при солнечном облучении, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха. Представленные здесь оптимальные свойства и концепции конструкции ТЭГ могут проложить путь к созданию высокопроизводительных, адаптируемых, настраиваемых, долговечных, экономичных и экологичных устройств сбора энергии следующего поколения с широким спектром применения.

ВВЕДЕНИЕ

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) могут напрямую преобразовывать низкопотенциальное тепло в электричество и, таким образом, являются очень многообещающими источниками энергии для носимой электроники и «Интернета вещей» ( 1 ). Однако обычные ТЭГ жесткие и хрупкие ( 2 — 6 ) и, таким образом, не могут быть адаптированы к сложным геометрическим и податливым свойствам материала человеческого тела. В последнее время большое внимание привлекла разработка гибких ТЭГ-систем, в том числе с использованием термоэлектрических (ТЕ) пленок ( 7 , 8 ), термоэлектрических масс ( 9 , 10 ), термоэлектрических чернил для печати ( 11 — 15 ), термоэлектрические волокна ( 16 , 17 ) и органические термоэлектрические материалы ( 18 , 19 ).Однако в очень немногих исследованиях сообщалось о ТЭГ с хорошей растяжимостью ( 7 , 17 ), что критически важно для обеспечения конформного контакта со сложной геометрией человеческого тела для оптимальных термоэлектрических характеристик ( 20 — 28 ). Вдохновленная способностью кожи человека к самовосстановлению, самовосстанавливающаяся электроника также продемонстрировала многообещающий потенциал носимой электроники для повышения надежности и долговечности ( 29 — 34 ). Однако в системах ТЭГ эта возможность еще не реализована.

В этой работе мы сообщаем о первой самовосстанавливающейся и перерабатываемой системе ТЭГ с превосходной растяжимостью и термоэлектрическими характеристиками. Достигнуто рекордно высокое напряжение холостого хода среди гибких ТЭГ, достигающее 1 В / см ² при разнице температур 95 К. Кроме того, эта система ТЭГ имеет реконфигурируемость, подобную Lego, что позволяет пользователям настраивать сбор энергии. устройство по термическим и механическим условиям. Эти свойства реализуются путем интеграции высокопроизводительных модульных термоэлектрических чипов, динамического ковалентного термореактивного полиимина в качестве подложки и инкапсуляции и текучего жидкого металла в качестве электропроводки с помощью новой конструкции механической архитектуры «мягких материнских плат и жестких подключаемых модулей» (SOM-RIP).Наконец, на холодную сторону ТЭГ вводится селективная по длине волны пленка из метаматериала для улучшения термоэлектрических характеристик при солнечном облучении, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Конструкция и изготовление устройства

ТЭГ состоит из модульных термоэлектрических чипов, жидкого металла в качестве электропроводки и динамического ковалентного термореактивного полиимина в качестве подложки и оболочки для разводки жидкого металла (рис.1А). Полиимин может быть синтезирован путем сшивания трех коммерчески доступных соединений: терефталевого альдегида, 3,3′-диамино- N, -метилдипропиламина и трис (2-аминоэтил) амина (рис. S1) ( 29 , 35 , 36 ). Для изготовления термоэлектрических чипов мы нанесли тонкие пленочные халькогениды Bi и Sb на полиимидные пленки с помощью термического испарителя, который служил ножками n-типа и p-типа соответственно (рис. S2). Размеры ветвей n-типа и ветвей p-типа были определены в процессе оптимизации эффективности преобразования энергии (примечание S1 и таблица S1).Чтобы улучшить кристалличность и производительность, мы затем обрабатывали термоэлектрические пленки при 320 ° C в течение 26 минут в атмосфере аргона. Затем с помощью термического испарителя были нанесены электроды Au-Ge для образования соединений между ветвями n-типа и ветвями p-типа, что завершает изготовление термоэлектрических чипов (рис. S2 и S3A). Процесс сборки модульных термоэлектрических чипов в ТЭГ схематично описан на рис. 1А. Все началось с лазерной резки полииминовой подложки для создания пазов (рис. S3B), за которой последовала трафаретная печать жидкометаллических электрических проводов с рисунком (рис.S3C и S4). Затем модульные термоэлектрические чипы вставляли в прорези полииминового субстрата и добавляли небольшое количество раствора полиимина [терефталевый альдегид + 3,3′-диамино- N -метилдипропиламин + трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] был применен для соединения термоэлектрических чипов с подложкой и для герметизации жидкометаллических проводов. На вставке к фиг. 1A представлено покомпонентное изображение конструкции устройства, а на фиг. 1B показано оптическое изображение собранного устройства ТЭГ.Подробные процессы изготовления можно найти в дополнительных материалах (примечание S2 и рис. S2 и S5).

Рис. 1 Устройство и изготовление ТЭГ.

( A ) Схематическое изображение конструкции, процесса изготовления и ключевых характеристик, включая самовосстановление, возможность вторичной переработки и реконфигурируемость, подобную Lego. Оптические изображения ТЭГ, когда он плоский ( B ), изогнутый ( C ), растянутый ( D ) и надетый на палец ( E ).Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Благодаря реакциям обмена связями в динамической ковалентной термореактивной полииминовой сети и текучести жидкометаллической электропроводки ( 29 , 36 ) этот ТЭГ является самовосстанавливающимся, пригодным для вторичной переработки и реконфигурируемым в стиле Lego, как схематически проиллюстрировано на фиг. 1A. Кроме того, этот ТЭГ обладает прекрасными механическими свойствами. Его можно сгибать (рис. 1C), растягивать (рис. 1D) и носить на пальце (рис. 1E) во время работы.

Выходная мощность и термоэлектрическая износостойкость

Мощность и выходное напряжение ТЭГ со 112 термоэлектрическими ветвями при различных перепадах температур были испытаны на лабораторной установке (рис. S6). На рис. 2 (от A до C) показаны выработка электроэнергии ( P _из ) и напряжение холостого хода ( В, _oc ) на единицу площади при разнице температур (Δ T ) в диапазоне от 6 до 95 К. при фиксированной температуре холодной стороны 20 ° C. Соотношение между выработкой электроэнергии ( P _{на выходе} ) и выходным напряжением ( В, _{нагрузка} ) при различных перепадах температур приведено на рис.2А. На рисунке 2B показано, что максимальная выработка мощности P _max увеличивается с перепадом температур Δ T и достигает 19 мкВт / см ² при Δ T = 93 К. Напряжение холостого хода на единицу площади В _oc , как показано на рис. 2C, линейно увеличивается с перепадом температур и достигает 1 В / см ² при Δ T = 95 K, что значительно выше, чем у других гибких ТЭГ, описанных в литературе ( 7 — 19 ).На рисунке 2D представлены результаты испытаний на выносливость этого ТЭГ. Выработка энергии ТЭГ оставалась стабильной в течение 100 часов, когда горячая сторона была зафиксирована на уровне 100 ° C, а холодная сторона подвергалась внутренней естественной конвекции. Результаты показывают отличную термическую и электрическую стойкость этого ТЭГ. На рисунке 2E показано сравнение с гибкими ТЭГ, описанными в литературе, по шести показателям производительности, включая максимальную удельную мощность, максимальное напряжение холостого хода, гибкость (измеренную в радиусе изгиба), растяжимость, самовосстановление и пригодность для вторичной переработки (см. Таблицу S2 и рис. .S7 для подробностей) ( 7 — 19 ). Представленные здесь ТЭГ демонстрируют гибкость и максимальную удельную мощность, сравнимые с другими гибкими ТЭГ, но их растяжимость и максимальное напряжение холостого хода намного лучше. Кроме того, наши ТЭГ являются самовосстанавливающимися, пригодными для вторичной переработки и реконфигурируемыми в стиле Lego (что будет продемонстрировано позже), и эти свойства еще не были продемонстрированы в системах ТЭГ.

Рис. 2 Мощность и ресурс ТЭГ.

( A ) Выработка электроэнергии ( P _out ) как функция выходного напряжения ( V _{нагрузка} ) при различных перепадах температур (Δ T ), с температурой холодной стороны ( T _{холодный} ) хранить при 20 ° C.Черные точки — данные измерений. ( B ) Максимальная выработка электроэнергии ( P _макс ) в зависимости от разницы температур. ( C ) Напряжение холостого хода ( В _oc ) в зависимости от разницы температур. Сплошные линии на (A) и (B) — аппроксимирующие кривые с использованием параболических функций. Сплошная линия на (C) — это линейная аппроксимирующая кривая. ( D ) Столетнее испытание на выносливость при температуре горячей стороны ( T _hot ), поддерживаемой при 100 ° C.Холодная сторона была естественной конвекцией, а температура в помещении ( T _{, комната} ) была около 26 ° C. ( E ) Сравнение характеристик этого ТЭГ и других гибких ТЭГ, приведенных в литературе (подробности см. В дополнительных материалах). Под гибкостью понимается минимальный радиус изгиба ТЭГ, экспериментально продемонстрированный в литературе.

Носимый ТЭГ и механические свойства

Этот ТЭГ обладает превосходной механической гибкостью, поэтому его можно носить на теле человека для сбора энергии.На рис. 3А показан ТЭГ, прикрепленный к предплечью при комнатной температуре 25 ° C, а на вставке показано инфракрасное измерение распределения температуры по устройству. На рисунке 3B показано, что это устройство ТЭГ может генерировать среднюю выходную плотность мощности 45 и 83 нВт / см ² и среднее выходное напряжение 25 и 33 мВ / см ² , когда пользователь сидел и шел, соответственно (рис. . S8). Для площади поверхности типичного спортивного браслета (6 см на 25 см) выходная мощность 12.5 мкВт и выходное напряжение 5 В могут генерироваться, когда пользователь идет, чего достаточно для непосредственного управления большинством узлов датчиков с низким энергопотреблением с помощью радиочастотной связи.

Рис. 3 Сбор энергии носимых устройств и механические свойства ТЭГ.

( A ) Оптические и инфракрасные (вставки) изображения ТЭГ, прикрепленного к руке. ( B ) Выработка энергии ( P _из ) и выходное напряжение ( В, _{нагрузка} ) ТЭГ со 112 термоэлектрическими ножками на коже человека, когда пользователь сидел и шел.Холодная сторона была естественной конвекцией. Метод конечных элементов (МКЭ) моделирует контуры распределения деформации в ветвях ТЭГ и ТЭ (вставка), когда ТЭГ изгибается до радиуса 3,5 мм ( C ) и растягивается на 120% ( D ). ( E ) Изменение относительного электрического сопротивления и стабильность выработки электроэнергии за 1000 циклов изгиба. На вставке показаны оптические изображения ТЭГ в плоском и изогнутом состоянии. Радиус изгиба r = 3,5 мм, R ₀ — исходное сопротивление, а Δ R — изменение сопротивления.( F ) Изменение относительного электрического сопротивления и выработка энергии в зависимости от степени растяжения (Δ L / L ₀ ). Для измерений выходной мощности ( P _из ) в (E) и (F) температура горячей стороны поддерживалась на уровне 41 ° C, на холодной стороне была естественная конвекция, а температура в помещении составляла около 26 ° C. На вставке (F) показаны оптические изображения ТЭГ во время испытания на растяжение, который включен последовательно со светодиодом (LED) и источником постоянного тока 4 В для визуальной демонстрации (рис.S11). Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Для носимых устройств механические свойства имеют первостепенное значение. Чтобы улучшить механическую гибкость и растяжимость ТЭГ, мы представляем инновационную конструкцию SOM-RIP. Эта конструкция может эффективно отделять жесткие и хрупкие чипы ТЭГ от напряжений в мягкой полииминовой подложке во время механической деформации. Результаты моделирования методом конечных элементов (МКЭ), показанные на рис. 3 (C и D), доказывают эффективность этой конструкции SOM-RIP в улучшении механических свойств ТЭГ.На рис. 3С показан контур максимального распределения основной деформации в ТЭГ, когда он изогнут до радиуса 3,5 мм. На вставке максимальное напряжение в ветвях TE составляет 0,0003%. На рисунке 3D показан контур распределения максимальной основной деформации в ТЭГ при растяжении на 120%. На вставке видно, что максимальная деформация в термоэлектрических ветвях составляет всего 0,1%, что ниже деформации разрушения (≈0,15%) ( 37 ) ТЭ материалов. Эта конструкция SOM-RIP дает коэффициент уменьшения деформации в 1200 раз.Контуры распределения деформаций в полиимиде и Au-Ge от изгиба и растяжения представлены на рис. S9.

Для обеспечения механической прочности мы провели испытание на циклический изгиб с радиусом изгиба 3,5 мм. Как показано на фиг. 3E и фиг. S10, электрическое сопротивление остается постоянным, а выходная мощность не показывает очевидных изменений. На рис. 3F показано относительное изменение сопротивления и выходная мощность в зависимости от механической деформации растяжения. Как сопротивление, так и выходная мощность не показывают заметных изменений, когда устройство ТЭГ растягивается до 120%.Это также демонстрирует вставка, так как яркость светодиода (LED) при растяжении на 120% сравнима с яркостью, когда ТЭГ не растянут (рис. S11).

Следует отметить, что гибкость и растяжимость этого ТЭГ ограничены в направлении, параллельном термоэлектрическим кристаллам. Однако ТЭГ со сверхвысокой гибкостью и растяжимостью в одном направлении хорошо подходят для цилиндрических источников тепла, таких как руки, ноги и пальцы, для носимых устройств и промышленных трубопроводов для сбора отработанного тепла.

Самовосстановление, переработка и реконфигурация, подобная Lego

В этом ТЭГ текучесть жидкометаллических проводов и реакции обмена связями в полииминовой сети обеспечивают отличную способность устройства к самовосстановлению ( 29 ). На рисунке 4A схематично показан процесс и механизм самовосстановления. После того, как жидкометаллическая проводка и полииминовая подложка разорваны (рис. 4A, вверху), разорванные границы раздела могут быть возвращены в контакт. Жидкометаллическая проводка сразу же восстанавливает электрическую проводимость благодаря своему жидкому поведению.Реакции обмена связями способствуют образованию новых ковалентных связей на границе раздела, что приводит к излеченному устройству ТЭГ, обладающему как механической прочностью, так и электрической функциональностью (рис. 4A, внизу). На рисунке 4В и видеоролике S1 экспериментально демонстрируется этот процесс с использованием ТЭГ-устройства с двумя термоэлектрическими модулями. При разрыве жидкометаллической проводки и полииминовой подложки светодиод гаснет (вверху в центре). Возврат интерфейсов в контакт приводит к немедленному восстановлению электропроводности в проводке жидкого металла, и снова загорается светодиод (внизу посередине).После 1,5-часового заживления при комнатной температуре на границе раздела образуется достаточное количество ковалентных связей, что приводит к механически прочному самовосстанавливающемуся ТЭГ, который можно сгибать, не влияя на выходную мощность (рис. 4B, справа). Изображения с оптического микроскопа на рис. S12 демонстрирует процесс заживления пореза полиимина с течением времени. Самовосстанавливающийся ТЭГ демонстрирует растяжимость, сравнимую с исходным устройством, поскольку его можно растянуть на 120%, не влияя на электрическое сопротивление (рис. 4C).

Инжир.4 Самовосстановление, переработка и реконфигурация в стиле Лего.

( A ) Схематическое изображение механизма самовосстановления. ( B ) Оптические изображения ТЭГ в тесте самовосстановления. Оригинальный ТЭГ является гибким и соединен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (слева). Когда жидкометаллическая электропроводка и полииминовая подложка обрываются, светодиод гаснет (вверху в середине). Когда две поверхности в месте повреждения соприкасаются, жидкометаллическая электропроводка сразу же заживает, что приводит к включению светодиода (внизу посередине).Через 1,5 часа полииминовый субстрат полностью заживает и приобретает механическую прочность (справа). ( C ) Изменение относительного электрического сопротивления (Δ R / R ₀ ) самовосстанавливающегося ТЭГ в зависимости от степени растяжения. На вставке показаны оптические изображения самовосстанавливающегося ТЭГ во время испытания на растяжение. ( D ) Оптические изображения ТЭГ на разных этапах переработки. Новый ТЭГ соединен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (внизу слева). ( E ) Сравнение выработки электроэнергии старым ТЭГ и переработанным новым ТЭГ.( F ) Лего-подобная реконфигурация двух отдельных ТЭГ (устройства I и II) в новый функциональный ТЭГ (устройство III). Новый ТЭГ (устройство III) включен последовательно со светодиодом и источником постоянного тока 4 В (справа). ( G ) Сравнение выработки электроэнергии между ТЭГ I, II и III. Фото: Ян Сунь, Университет Колорадо в Боулдере.

Избыточные аминовые мономеры могут вызывать деполимеризацию полииминовых сеток в мономеры и олигомеры, растворимые в органических растворителях, что приводит к превосходной возможности повторного использования устройств на основе полиимина ( 29 ). На рисунке 4D показан процесс переработки ТЭГ-устройства. Старый ТЭГ пропитывают рециркулирующим раствором [3,3′-диамино- N -метилдипропиламин и трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] (вверху слева). Через 6 часов при комнатной температуре полииминовый субстрат полностью деполимеризуется на олигомеры и мономеры, растворимые в метаноле (вверху справа). Затем другие компоненты, включая термоэлектрические модули, проводники и жидкий металл, могут быть отделены от химического раствора (внизу справа).Рециркулированный раствор можно полностью повторно использовать для синтеза новой полииминовой пленки путем пропорционального добавления терефталевого альдегида и метанола. Новый функциональный ТЭГ может быть изготовлен с использованием всех компонентов, переработанных из старого ТЭГ (внизу слева). Как показано на рис. 4E, выходная мощность нового ТЭГ сравнима со старым ТЭГ.

Это устройство ТЭГ не только самовосстанавливающееся и пригодное для вторичной переработки, но и реконфигурируемое в стиле Lego благодаря конструкции SOM-RIP, сочетающей в себе динамический ковалентный термореактивный полиимин и проводку из жидкого металла. Рисунок 4F демонстрирует реконфигурацию двух отдельных устройств ТЭГ (устройства I и II) в новое устройство ТЭГ (устройство III). Подобный Lego процесс реконфигурации начинается с отключения одной клеммы устройств I и II, чтобы обнажить жидкометаллическую проводку (рис. 4F, слева), с последующим приведением открытых клемм двух TEG в физический контакт. Затем нанесение и отверждение небольшого количества раствора полиимина [терефталевый альдегид + 3,3′-диамино- N -метилдипропиламин + трис (2-аминоэтил) амин в метаноле] на стыке двух ТЭГ полностью излечивают поверхность раздела (Рис. .4F, средний). Новый ТЭГ полностью работоспособен (рис. 4F, справа). Этот процесс подробно схематично проиллюстрирован на рис. S13. Как показано на рис. 4G, выходная мощность устройства III равна сумме устройств I и II, что указывает на то, что процесс реконфигурации, подобный Lego, эффективен без снижения производительности. Обратите внимание, что во время этого процесса реконфигурации нет необходимости применять раствор полиимина, но требуется больше времени для образования достаточного количества ковалентных связей на стыке стыков. Возможность реконфигурации, подобная Lego, позволяет пользователям настраивать ТЭГ, используя последовательно или параллельно подключенные модули для заданных форм-факторов, конструкции, выходного напряжения и мощности, в зависимости от конкретных тепловых условий и выходной мощности термоэлектрических микросхем (рис. S14). Подобный Lego реконфигурируемый ТЭГ также может быть интегрирован в сенсорную систему на основе аналогичной самовосстанавливающейся подложки, чтобы сформировать автономную сенсорную систему с автономным питанием.

Улучшение характеристик ТЭГ на открытом воздухе с помощью пленки из метаматериала

Солнечное излучение, окружающее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на характеристики носимого ТЭГ во время активного отдыха (рис.5А, вверху). Энергетический баланс холодной стороны ТЭГ, которая подвергается воздействию окружающей среды, можно выразить как ( 38 ) Qsurf = Pnonrad + Prad − Pabs = hc (Tc − Tamb) + κBε¯emit (Tc4 − Ts4) −Psolarε¯abs (1) где Q _surf — полный тепловой поток на поверхности с холодной стороны на единицу площади, P _nonrad и P _rad — безызлучательная теплопередача и теплообмен на единицу площади. между поверхностью холодной стороны и окружающей средой, соответственно, P _abs — поглощенная мощность солнечного излучения на единицу площади, P _solar — мощность солнечного излучения на единицу площади, а ε¯emit и ε¯ abs — эффективная излучательная способность и эффективная поглощающая способность поверхности соответственно.Излучательная способность и поглощательная способность могут использоваться для оценки теплового излучения поверхности с холодной стороны и поглощения ею солнечного излучения, как показано в формуле. 1. На рис. 5В показаны измеренные зависящие от длины волны коэффициенты излучения / поглощения поверхности ТЭГ (голая поверхность). Поверхность ТЭГ без покрытия имеет сильное поглощение (> 0,87) в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм), что указывает на то, что поверхность может нагреваться солнечным излучением, что значительно ограничивает ее рассеивание тепла. Чтобы улучшить характеристики ТЭГ на открытом воздухе, необходимо изменить поверхность с холодной стороны так, чтобы она была избирательной по длине волны для более эффективного рассеивания тепла. Эта поверхность должна иметь две характеристики: (i) низкую поглощающую способность в солнечном спектре и (ii) высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне, особенно в окне пропускания атмосферы (от 8 до 13 мкм), что позволяет холодной стороне испускать инфракрасное излучение до Вселенная через атмосферу, а именно радиационное охлаждение неба ( 38 — 40 ). Поэтому выбирается пленка из гибридного метаматериала из стеклополимера, которая может обеспечить обе характеристики, и наносится в качестве покрытия на холодную сторону поверхности ТЭГ (рис.5A, внизу), что дает эффективную поверхность с избирательной длиной волны. Как показано на рис. 5B, измеренная излучательная способность / поглощательная способность в зависимости от длины волны поверхности с избирательной длиной волны показывает гораздо более низкое поглощение, чем голая поверхность в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм) и сравнимую излучательную способность в окне пропускания атмосферы (от 8 до 13 мкм). Детальный дизайн и изготовление метаматериала можно найти в нашей предыдущей работе ( 40 ).

Рис. 5 Улучшение характеристик вне помещений с помощью селективных по длине волны пленок из метаматериалов.

( A ) Схематическое изображение процессов теплопередачи ТЭГ с оголенной поверхностью (вверху) и селективной по длине волны поверхностью (внизу) в дневное и ночное время. P _solar и P _атм — мощность солнечного излучения и мощность атмосферного излучения на поверхности, соответственно, P _рад — мощность теплового излучения от поверхности и P _nonrad — безызлучательный теплообмен (конвекция и теплопроводность) между поверхностью и окружающей средой.( B ) Измеренная поглощающая способность / излучательная способность оголенной поверхности и избирательной по длине волны поверхности от 300 нм до 25 мкм. Коэффициент поглощения / излучения атмосферы (серый блок) и плотность мощности спектрального солнечного излучения [желтый блок; воздушная масса (AM), 1,5]. И голая поверхность, и поверхность с избирательной длиной волны имеют сильное излучение от 8 до 13 мкм (атмосферное окно пропускания), что указывает на превосходные характеристики радиационного охлаждения. Голая поверхность имеет сильное поглощение во всем солнечном спектре (> 0.87) и других инфракрасных диапазонах (> 0,96), в то время как избирательная по длине волны поверхность имеет гораздо более слабое поглощение в солнечном спектре, чем в инфракрасном диапазоне. ( C ) Солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра, измеренные метеостанцией с 13:00 до 18:00 (9 ноября 2019 г., Боулдер, Колорадо, США). Общий поверхностный теплообмен ( D ), выходное напряжение ( E ) и выработка энергии ( F ) ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне с 13:00 до 18:00.

Чтобы количественно изучить влияние солнечного излучения и радиационного охлаждения на термоэлектрические характеристики, мы протестировали ТЭГ на открытом воздухе как с оголенной поверхностью, так и с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне в солнечный день, используя лабораторную установку (рис. S15). Измеренные солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра с 13:00 до 18:00 представлены на рис. 5C. Внезапное падение измеренной солнечной освещенности в 15:18 связано с тем, что метеостанция была затенена соседним зданием, а устройства TEG были затенены зданием в 15:45.Теплообмен на двух типах поверхностей можно рассчитать на основе измеренных данных (примечание S3 и рис. S16). Как показано на рис. 5D, ТЭГ с оголенной поверхностью на холодной стороне имеет отрицательный теплообмен между 13:00 и 15:45, поскольку поглощение солнечного света на оголенной поверхности больше, чем полное рассеивание тепла за счет радиационной и безызлучательной теплопередачи. . Это приводит к тому, что выходное напряжение ТЭГ с оголенной поверхностью колеблется около нуля (рис. 5E), а выработка электроэнергии составляет всего лишь 1 нВт / см ² (рис.5F) до 15:45. Для ТЭГ с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне теплообмен остается стабильным как до, так и после того, как ТЭГ был затенен зданием, как показано на рис. 5D. Это приводит к значительному улучшению характеристик ТЭГ с выходным напряжением ~ 40 мВ / см ² (рис. 5E) и выходной мощностью ~ 10 нВт / см ² (рис. 5F) до 15:45 по сравнению с с ТЭГ с открытой поверхностью на холодной стороне. После того, как ТЭГ-устройства были затенены зданием в 15:45, два ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне имеют одинаковые общие теплообменные и термоэлектрические характеристики из-за их одинакового высокого коэффициента излучения в окне пропускания атмосферы и отсутствие солнечного излучения.

ОБСУЖДЕНИЕ

В этой работе описывается высокопроизводительный носимый ТЭГ с превосходными возможностями растяжения, самовосстановления, повторного использования и реконфигурации, подобной Lego. Для достижения этих свойств благодаря новой механической архитектуре SOM-RIP интегрированы высокопроизводительные модульные термоэлектрические чипы, динамический ковалентный термореактивный полиимин в качестве подложки и инкапсуляции и текучий жидкий металл в качестве электропроводки. Этот ТЭГ может производить рекордно высокую плотность напряжения холостого хода 1 В / см ² при разнице температур 95 К среди гибких ТЭГ, что многообещающе для сбора низкопотенциального тепла для питания Интернета вещей и носимой электроники.Эти особенности позволяют адаптировать ТЭГ к быстро меняющимся механическим и тепловым условиям и требованиям пользователя. Кроме того, селективная по длине волны пленка из метаматериала интегрирована на холодной стороне ТЭГ, чтобы одновременно максимизировать радиационное охлаждение и минимизировать поглощение солнечного излучения. Следовательно, термоэлектрические характеристики могут быть значительно улучшены под воздействием солнечного излучения, что критически важно для сбора энергии с помощью носимых устройств во время активного отдыха. Концепции конструкции, подходы и свойства системы ТЭГ, представленные в этой работе, могут проложить путь к созданию высокопроизводительных, адаптируемых, настраиваемых, надежных, экономичных и экологичных устройств сбора энергии следующего поколения с широким спектром применения.

Отметим также, что общая концепция дизайна этой работы масштабируется и адаптируется к другим термоэлектрическим материалам и методам изготовления, включая физическое осаждение из паровой фазы с рулона на рулон и методы печати ( 41 ). Можно дополнительно улучшить термоэлектрические характеристики переносного ТЭГ, улучшив процесс производства термоэлектрических пленок, приняв термоэлектрические пленки с лучшими термоэлектрическими свойствами ( 42 — 45 ) и используя традиционные термоэлектрические ножки с гораздо меньшими размерами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез материалов и изготовление устройств

Тонкопленочные термоэлектрические материалы были нанесены на полиимидную пленку (125 мкм; DuPont) с помощью термического испарителя. Целевыми материалами ветвей p-типа и ветвей n-типа для испарения были Bi _0,5 Sb _1,5 Te ₃ и Bi ₂ Te _2,8 Se _0,3 , соответственно, которые были приготовлены выплавка слитка Bi (99,999%; Alfa Aesar), слитка Sb (99. 999%; Alfa Aesar), слиток Te (99,999%; Alfa Aesar) и слиток Se (99,999%; Alfa Aesar) в запаянных кварцевых трубках под вакуумом ниже 10 ^-3 Па с использованием муфельной печи (KSL-1100X-L) при 1073 К. в течение 5 часов. Затем нанесенные термоэлектрические пленки нагревали при 320 ° C в течение 26 мин в атмосфере аргона в трубчатой ​​печи (OTF-1200X). Тонкопленочные электроды Au-Ge наносили с помощью термического испарителя с использованием сплава Au ₈₈ Ge ₁₂ (99,99%; Kurt. J. Lesker) в качестве материала мишени. Полииминовый субстрат полимеризуется с использованием трех коммерческих соединений: терефталевого альдегида, 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина и трис (2-аминоэтил) амина.Смесь 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина (1,251 г, 8,61 ммоль) и трис (2-аминоэтил) амина (0,252 г, 1,72 ммоль) добавляли в центрифужную пробирку объемом 25 мл с завинчивающейся крышкой. с последующим добавлением метанола (20 мл) и терефталевого альдегида (1,5 г, 11,18 ммоль). Смесь перемешивали до тех пор, пока раствор не становился полупрозрачным и желтым, а затем раствор выливали в чашку Петри, покрытую полидиметилсилоксаном. Раствор отверждали испарительной сушкой в ​​вытяжном шкафу в течение не менее 72 часов при комнатной температуре.Рециркулирующий раствор представляет собой смесь 3,3′-диамино- N -метилдипропиламина (1,251 г, 8,61 ммоль) и трис (2-аминоэтил) амина (0,252 г, 1,72 ммоль) в метаноле. Жидкий металл (смесь 75,5% галлия и 24,5% индия по весу) был смешан с 0,35% по весу частиц SiO ₂ (радиус 40 мкм) для повышения выхода трафаретной печати. Температура плавления жидкого металла составляет 15,3 ° C. В качестве альтернативы, эвтектический галлий-индий-олово (галинстан) (68% Ga, 22% In и 10% Sn по весу) с температурой плавления -19 ° C может быть использован для более холодной окружающей среды.Устройство для лазерной резки (Epilog 36EXT Model 9000) использовали для подготовки всех масок и прорезей в полииминовых подложках. Селективная по длине волны пленка была прикреплена к холодной стороне ТЭГ с помощью чувствительной к давлению ленты.

Характеристики материалов

Толщина термоэлектрических пленок и пленки Au-Ge измерялась с помощью профилометра иглой (Bruker DektakXT). Микрорельеф и состав поверхности анализировали с помощью сканирующего электронного микроскопа (Quanta 200 FEG и Hitachi SU3500), сопровождаемого энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией.Коэффициент Зеебека и удельное электрическое сопротивление были измерены четырехзондовым методом на системе одновременных измерений (ULVAC ZEM-3), а теплопроводность термоэлектрических пленок (рис. S17) была измерена методом термоотражения во временной области ( 46 ) на самодельной системе (таблица S1 и рис. S18 и S19). Изображения процесса самовосстановления в оптическом микроскопе были получены с использованием цифрового микроскопа со сверхглубокой резкостью (KEYENCE VHX-1000E).

Измерение выходной мощности ТЭГ

Характеристики ТЭГ внутри и вне помещений были проверены с помощью самодельных установок (рис.S6 и S15). Горячая сторона — это нагревательный стол с регулируемой температурой. Холодная сторона представляет собой двухступенчатый охладитель (гидроохлаждение и охладитель Пельтье), который может точно контролировать температуру холодной стороны ТЭГ от 0 ° C до комнатной температуры. Термопары типа Т (диаметр проволоки 0,127 мм; OMEGA TT-T-36) использовались для проверки температур холодной и горячей стороны ТЭГ. Провода термопары фиксировались держателями рядом с тестируемыми позициями, и только оголенные концы термопар близко касались тестируемых позиций из-за эластичности проводов термопар, чтобы избежать дополнительных потерь тепла.Для фиксации термопар не использовались смазка, клей, лента или зажим. Комнатная температура измерялась термопарой типа Т, помещенной на воздухе рядом с ТЭГ. Все данные, включая температуру, напряжение и сопротивление, были собраны многофункциональным устройством сбора данных (Keysight 34970A). Инфракрасные изображения были получены с помощью инфракрасной камеры (FLIR T630sc). Солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра были проверены метеостанцией рядом с ТЭГ.

Механические характеристики

Испытания на растяжение проводились на самодельном растягивающем оборудовании.Смоделированные контуры распределения деформации в ТЭГ были получены с использованием коммерческого программного обеспечения Abaqus. Проводящий слой AuGe был смоделирован как скин-слой на поверхности полиимидной пленки и термоэлектрических ветвей, а затем образован четырехузловыми элементами оболочки. Полиимидная пленка, термоэлектрические ветви p-типа и n-типа и полииминовая подложка моделировались с помощью восьмиузловых твердотельных элементов. Модули упругости AuGe, ветвей n-типа, ветвей p-типа, полиимидных пленок и полииминовой подложки составляли 69,2 ГПа, 52 ГПа, 46 ГПа, 2.5 ГПа и 2 МПа соответственно. Коэффициенты Пуассона для них составляли 0,32, 0,25, 0,25, 0,34 и 0,35 соответственно. Для моделирования условий эксперимента к модели отдельно применялись деформация 120% и радиус изгиба 3,5 мм.

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

1. ↵

   Д. М. Роу, Модули, системы и приложения в термоэлектриках (CRC Press, 2012).

2. ↵

5. М. Киши, Х. Немото, Т. Хамао, М. Ямамото, С. Судо, М.Мандаи, С. Ямамото, Микро-термоэлектрические модули и их применение в наручных часах в качестве источника энергии, в Восемнадцатая международная конференция по термоэлектричеству, Труды, ICT’99 (Кат. № 99TH8407) (IEEE, 1999), стр. 301– 307.

6. ↵
7. ↵
8. ↵
9. ↵
10. ↵
11. ↵
15. ↵
16. ↵
17. ↵
18. ↵
19. ↵
20. ↵
28. ↵
33. ↵
34. ↵
35. ↵
36. ↵
37. ↵
39. ↵
40. ↵
41. ↵

43. L.M. Goncalves, C. Couto, JH Correia, P. Alpuim, G. Min, DM Rowe, Оптимизация термоэлектрических тонких пленок, нанесенных путем совместного испарения на пластиковые подложки, в Proceedings of 4th European Conference on Thermoelectrics , Cardiff, Великобритания, 9–11 апреля 2006 г. (2006 г.).

44. ↵
45. ↵

Благодарности: Финансирование: Мы выражаем признательность за финансовую поддержку со стороны NSF, США (CMMI-1762324) и Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (2019YFA0705201).Д.З. благодарит за поддержку Фонд естественных наук провинции Цзянсу, Китай (BK20200373). Вклад авторов: W.R., Y.S., D.Z., L.Z., J.X. и R.Y. задумал и спланировал эксперимент. W.R. и Y.S. изготовили ТЭГ и выполнили механическое испытание и испытание выходной мощности в помещении. W.R., Y.S., D.Z. и A.A. провели испытания ТЭГ на открытом воздухе. W.R., Y.S. и Jie Zhang измерили и охарактеризовали ТЕ-пленки, а также модифицированный жидкий металл и полиимин. С.З. выполнено моделирование методом конечных элементов.Ю.С. и C.S. изготовили полиимин. W.R., Jialun Zhang и H.G. разработали и изготовили мишени из материала TE. W.R., Y.S., D.Z., A.A., L.Z., J.X. и R.Y. проанализировали экспериментальные данные. W.R., Y.S., D.Z., L.Z., J.X. и R.Y. написал газету. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2021 Авторы, некоторые права защищены; обладатель исключительной лицензии Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Дизайны | Бесплатный полнотекстовый | Конструкция термоэлектрического генератора и его медицинские применения

В этом разделе представлен краткий обзор термоэлектрических материалов и процесса их производства с учетом затрат. Читатели, интересующиеся материалами и производственным процессом, могут найти в литературе информацию о термоэлектрических материалах [10], объемных термоэлектрических материалах [9] и низкоразмерных термоэлектрических материалах [11]. Основная цель исследования термоэлектрических материалов — достижение высокого значения ZT [12], характеризующегося высоким коэффициентом Зеебека, низкой теплопроводностью [13] и высокой электропроводностью. Перед исследователями стоит огромная задача оптимизировать эти противоречивые параметры вместе с желаемыми механическими свойствами.В прошлом термоэлектрические материалы в основном представляли собой объемные сплавы, такие как SiGe, CoSb ₃ , Bi ₂ Te ₃ и PbTe [14]. Основываясь на структуре и составе материала, они классифицируются как полугейслера, силициды, оксиды, клатраты, скуттерудиты и халькогениды [15]. Хотя халькогениды обладают термоэлектрическими свойствами, большинство коммерческих ТЕМ-модулей производится с использованием теллурида висмута (Bi ₂ Te ₃ ) с различными добавками [16]. Bi ₂ Te ₃ был введен с наноматериалами [17] для уменьшения решеточной теплопроводности за счет увеличения скорости рассеяния фононов. Концентрация электронов оптимизируется за счет добавления наноматериалов, которые действуют как центры рассеяния фононов. Добавление таких наноматериалов помогает в достижении стеклоподобной теплопроводности, называемой электронным кристаллом фононного стекла (PGEC) [14], из-за фононов с длинной длиной свободного пробега, увеличивающих перенос тепла и заряда. Заметное увеличение значения ZT до 1.86 при 320 К сообщалось [18] за счет уменьшения решеточной теплопроводности и рассеяния на точечных дефектах. Значение ZT, равное 2,6 при 923 К, было зарегистрировано Канатзидисом [19] для кристаллов Sn-Se из-за его сверхнизкой решеточной теплопроводности. Материалы со значением ZT до 3 [10] были идентифицированы в литературе путем отделения тепла от переноса заряда. Несмотря на то, что интенсивные исследования материалов значительно улучшили значение ZT, использование этих материалов в коммерческих устройствах сопряжено с серьезными проблемами. Сопоставить пиковое значение ZT при одной температуре — огромная задача, поскольку большинство приложений допускают колебания температуры после термоциклирования [20]. Поскольку пиковые значения ZT возникают при высоких температурах выше 600 ° C, стабильность материала при превышении рабочей температуры имеет жизненно важное значение с точки зрения устройства. Даже при высоких температурах экспонированный термоэлектрический материал не должен окисляться [21]. Сообщается, что некоторые материалы подвергаются сублимации [22] из-за всплесков высоких температур, что может привести к неисправности устройства.Вышеупомянутые проблемы ограничивают возможность использования ценных термоэлектрических материалов ZT в коммерческих продуктах. Знание механических свойств термоэлектрических материалов необходимо для проектирования и производства устройств, чему часто препятствуют пиковые значения ZT. Термоэлектрические материалы являются хрупкими [23], и оценка характеристик материала, таких как прочность на излом, вязкость разрушения и твердость [24], является сложной задачей из-за изменений в составе и методах испытаний материалов [25]. ТЭГ работают в широком диапазоне температур до 600–1000 ° C в случае выхлопа печи [8] или при 20 ° C, вырабатывая энергию для имплантируемых устройств внутри тела. Следовательно, коэффициент теплового расширения (КТР) является критическим параметром из-за термоциклирования. Поскольку каждый компонент, показанный на Рисунке 1, будет иметь различный КТР, особенно на паяных соединениях термоэлектрических ветвей, могут возникнуть значительные напряжения [26]. Следует обратить внимание на выбор интерфейсных слоев, подложек и межсоединений, которые должны быть стабильными в широком диапазоне рабочих температур, чтобы предотвратить ранние отказы устройств.КТР значительно варьируется среди обычно изучаемых материалов, таких как MNiSn = 8–12 частей на миллион K ⁻¹ (ppm) [27], Mg ₂ Si = 3–6 частей на миллион K ⁻¹ [28] и Si -Ge сплавы = 10–12 частей на миллион K ⁻¹ [29]. Предлагаемые решения включают использование слоев жидкого металла [30], массивов углеродных нанотрубок [31] и создание нескольких контактных слоев с постепенно изменяющимся КТР.

Производство термоэлектрических материалов

Процесс производства ТЭГ основан на архитектуре ТЭГ и используемом термоэлектрическом материале.Представленный здесь обзор производственного процесса является более общим и больше ориентирован на производство плоских массивных ТЭГ. Мотив состоит в том, чтобы проинформировать разработчиков ТЭГ о влиянии их конструкции на производственный процесс и стоимость.

На первом этапе должен быть синтезирован термоэлектрический материал, обычно посредством шаровой мельницы [32], вместе с его составляющими. Этапы производства ТЭГ показаны на рисунке 3. Хотя процесс является обширным, требуемые характеристики могут быть достигнуты после того, как будет определен оптимизированный состав материала.Другой процесс, с помощью которого могут быть получены термоэлектрические порошки, — это плавление [33], хотя есть некоторая степень флуктуации процесса, приводящая к изменению фазы и микроструктуры [34]. Затем синтезированные порошки формуются в слитки горячим прессованием или искровым плазменным спеканием, а затем разрезаются на кубики для формирования термоэлектрических ветвей. Хрупкость материала, приводящая к скалыванию термоэлектрических ветвей, является преобладающей проблемой в этом процессе, что может привести к дальнейшему растрескиванию [35]. Для производства тонкопленочных ТЭГ используются общепринятые производственные процессы в полупроводниковой промышленности, такие как травление [36], молекулярно-лучевая эпитаксия, химическое травление и осаждение из паровой фазы [37].Большинство имеющихся в продаже ТЭГ производится с использованием теллурида висмута, в то время как теллурид свинца и германий используются редко. Стоимость сырья для Bi ₂ Te ₃ составляет 110 долларов США / кг [38], тогда как при преобразовании его в чистый термоэлектрический материал стоимость составляет 806 долларов США / кг [38]. Разработка полимеров, оксидов и силицидов резко снижает потребность в использовании германия, тем самым снижая стоимость сырья. Стоимость сырого и чистого термоэлектрического материала оксидов составляет 2 доллара США / кг и 50 долларов США / кг [39] соответственно.