Электричество из тепла: Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор

https://ria.ru/20211007/spbpu-1753346709.html

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор — РИА Новости, 07.10.2021

Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в… РИА Новости, 07.10.2021

2021-10-07T09:00

2021-10-07T09:00

2021-10-07T09:00

наука

технологии

санкт-петербург

санкт-петербургский политехнический университет петра великого

электричество

навигатор абитуриента

университетская наука

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/06/1753353969_0:63:1200:738_1920x0_80_0_0_059ccb1d5835f8e86acfa4b628183714. jpg

МОСКВА, 7 окт — РИА Новости. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в десятки раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Готовый продукт будет внедрен в производство к концу 2021 года.Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке будет иметь размеры 5×2 миллиметров), переводящее тепловую энергию в электрическую. Это крайне актуально в связи с мировым трендом на декарбонизацию. Генератор, разработанный исследователями СПбПУ, содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.»В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки)», — пояснила директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии») Ольга Квашенкина. По ее словам, в результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.Как сообщили РИА Новости в университете, научный коллектив завершил теоретическую часть работы, связанную с эффективностью устройства. Ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии. Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».При этом она отметила, что в бытовом плане устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и пр. «В перспективе мы будем стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов», — добавила она.По оценкам ученых, устройство отличается высоким КПД: для выработки тока для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей. Предполагается, что термоэлектрический генератор устанавливается около комнатной батареи или монтируется в систему отопления, и получаемая электроэнергия идет к электрической разводке, заряжая небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.Как планируют ученые, устройство будет финансово доступно для обычных потребителей. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным. В настоящее время ученые готовят два патента на изобретения. Проект реализован в рамках НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».

https://ria.ru/20210929/mifi-1752172905.html

санкт-петербург

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/06/1753353969_67:0:1134:800_1920x0_80_0_0_c204583931479d5f946f44063d1edb34.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, санкт-петербург, санкт-петербургский политехнический университет петра великого, электричество, навигатор абитуриента, университетская наука, россия

Наука, Технологии, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Электричество, Навигатор абитуриента, Университетская наука, Россия

МОСКВА, 7 окт — РИА Новости. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в десятки раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Готовый продукт будет внедрен в производство к концу 2021 года.

Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке будет иметь размеры 5×2 миллиметров), переводящее тепловую энергию в электрическую. Это крайне актуально в связи с мировым трендом на декарбонизацию. Генератор, разработанный исследователями СПбПУ, содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения

1 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения

2 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения

3 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ

1 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ

2 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ

3 из 3

Разработка термоэлектрического генератора нового поколения

© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ

«В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки)», — пояснила директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии») Ольга Квашенкина.

По ее словам, в результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.

Как сообщили РИА Новости в университете, научный коллектив завершил теоретическую часть работы, связанную с эффективностью устройства. Ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии. Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».

«Использование термоэлектрического генератора актуально не только для бытовых нужд, но и для промышленности: например, устройство помещается на поверхность турбинного двигателя, который может нагреваться до полутора тысяч градусов, и это тепло, переходя в электрическую энергию, питает датчики, предназначенные для мониторинга состояния систем двигателя», — сообщила Ольга Квашенкина.

При этом она отметила, что в бытовом плане устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и пр. «В перспективе мы будем стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов», — добавила она.

По оценкам ученых, устройство отличается высоким КПД: для выработки тока для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей. Предполагается, что термоэлектрический генератор устанавливается около комнатной батареи или монтируется в систему отопления, и получаемая электроэнергия идет к электрической разводке, заряжая небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.

29 сентября 2021, 09:00Наука

Российские ученые создают виртуальный ядерный реактор

Как планируют ученые, устройство будет финансово доступно для обычных потребителей. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным. В настоящее время ученые готовят два патента на изобретения. Проект реализован в рамках НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».

новый рекорд КПД термофотоэлектрического преобразования / Хабр

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

Основа исследования

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

Изображение №1

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

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

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

Столь высокий уровень эффективности стал возможен благодаря трем основным факторам:

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

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

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

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

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

Результаты исследования

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

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

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

Стоит также отметить, что высокие температуры эмиттера, предназначенные для TEGS и других приложений, позволяют использовать батареи с большей шириной запрещенной зоны (не менее 1.0 эВ) вместо батарей с малой шириной запрещенной зоны на основе InGaAs или GaSb, традиционно используемых для TPV. Этот фактор является ключевым, так как спектр света смещается в сторону более длинных волн по мере снижения температуры излучателя, поэтому традиционные элементы TPV, которые соединены с излучателями менее 1300 °C, обычно основаны на 0.74 эВ InGaAs или 0. 73 эВ GaSb.

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

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

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

В первом варианте конструкции тандема использовались верхние и нижние контакты AlGaInAs 1. 2 эВ и GaInAs 1.0 эВ со смещенными решетками, что связано с кристаллографической постоянной решетки подложки GaAs, на которой они выращены.

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

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

Изображение №2

На графике 2a показаны результаты измерения коэффициента отражения, а на 2b показана внутренняя квантовая эффективность протестированных тандемов 1. 4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ. Отражательная способность в случае абсолютно черного тела при 2150 °C составила 93.0% для тандема 1.4/1.2 эВ и 93.1% для тандема 1.2/1.0 эВ.

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

Изображение №3

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

Результаты для тандема 1.4/1.2 эВ показали увеличение эффективности с увеличением температуры эмиттера. Эффективность превысила 40% при 2350 °C, что находится в пределах целевого диапазона 1900–2400 °C, необходимого для применения в TEGS. При 2400 °C эффективность достигала 41. 1 ± 1%. В среднем по температурному диапазону (от 1900 до 2400 °C) КПД составляло 36.2%. Плотность электрической мощности составила 2.39 Вт/см² при максимальной температуре эмиттера 2400 °С.

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

Плотность электрической мощности составила 2.42 Вт/см² при максимальной измеренной температуре эмиттера 2279 °С и 1.81 Вт/см² в точке максимального КПД при температуре эмиттера 2127 °С.

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

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

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

Эпилог

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

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

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

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

Немного рекламы

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

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

Термоэлектрический генератор — конвертируем тепло в электричество термогенератором

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Шаг 1: Необходимые детали

Показать еще 7 изображений

1. 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
2. Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
3. Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
4. Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
5. Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
6. Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
7. Резак для резки тонких металлов
8. Ножницы по металлу
9. Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
10. Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
11. Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
12. Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
13. Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
14. 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
15. 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
16. Толстая медная проволока
17. Цифровой мультиметр

Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.

Шаг 2: Конструирование

Показать еще 6 изображений

Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.

Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.

Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.

Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т. д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Файлы

• ElectroThermal Generator Test..mp4
• Thermal Power Unit,Rocket,Hobo Stove Test..mp4

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

Оглавление

• Шаг 1: Необходимые детали
• Шаг 2: Конструирование
• Шаг 3: Тестирование теплогенератора
• Шаг 4: Улучшения

Превращение тепла в электричество | Новости Массачусетского технологического института

Что, если бы ваш кондиционер работал не на обычном электричестве, а на солнечном тепле в теплый летний день? Благодаря достижениям в области термоэлектрических технологий это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства изготавливаются из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество без каких-либо движущихся частей — качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества. Это явление обратимо: если к термоэлектрическому устройству подать электричество, оно может создать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервные батареи на космических зондах и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут улавливать тепло, производимое в качестве побочного продукта промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло впустую в электричество. Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которое они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили способ увеличить эту эффективность в три раза, используя «топологические» материалы, обладающие уникальными электронными свойствами. В то время как в предыдущих работах предполагалось, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи Массачусетского технологического института определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурированного материала таким образом, что топологические материалы станут хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», — говорит Те-Хуан Лю, постдоктор кафедры механики Массачусетского технологического института. Инжиниринг. «В конце концов, это может быть способ чистой энергии, который поможет нам использовать источник тепла для выработки электроэнергии, что уменьшит выброс углекислого газа».

Лю является первым автором статьи PNAS , в которой участвуют аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичень Сун; Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Биденхарна; и Ган Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободно пройденный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию градиента температуры, например, один конец нагревается, а другой охлаждается, электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному, генерируя электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и тем больше вырабатывается энергии. Количество энергии, которое может быть генерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования — метода, который ученые используют для синтеза материала путем формирования его характеристик в масштабе нанометров. Ученые считают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью их наноструктур. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также обладают особыми свойствами, которые имитируют класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Исследовательская группа стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова, моделируя движение электронов через материал. Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средний свободный пробег», или среднее расстояние, которое электрон с данной энергией мог бы свободно пройти в материале, прежде чем он был бы рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый из которых имеет границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию рассеиваться различными путями. Электроны с длинной длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетящие от стены, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега подвержены гораздо меньшему воздействию.

В ходе моделирования исследователи обнаружили, что характеристики электронов теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега. Они нанесли на график диапазон энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличается от графиков для большинства обычных полупроводников. В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно имеют более длинную длину свободного пробега.

Затем команда изучила, как эти свойства электронов влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, путем суммирования термоэлектрических вкладов электронов с разными энергиями и длинами свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов в условиях температурного градиента во многом зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности потенциалов и, следовательно, электрического тока. Эти электроны с низкой энергией также имеют большую длину свободного пробега, а это означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны с более высокой энергией.

Уменьшение размера

Сделав еще один шаг вперед в своих симуляциях, команда экспериментировала с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы выяснить, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте. Они обнаружили, что когда они уменьшали диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть при меньших размерах зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткую длину свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются на границах зерен. Это приводит к большей разности напряжений, которая может быть сгенерирована.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерна теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал, произведенный с более крупными зернами.

Лю говорит, что, хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут добиться аналогичных результатов, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерна с помощью метода наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер должен быть намного больше 10 нанометров.

«В ходе нашего моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем считалось ранее, и на основе этой концепции мы можем повысить его эффективность», — говорит Лю.

Теллурид олова — всего лишь один пример многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. По словам Лю, если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я думаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих применений», — говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Твердотельным центром преобразования солнечной тепловой энергии, Центром передовых исследований в области энергетики Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Boston Globe

Исследователи Массачусетского технологического института усовершенствовали аккумуляторы с жидким натрием, потенциально проложив путь к использованию аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии, сообщает Laney Ruckstuhl для Бостон глобус . «В отличие от литий-ионных аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах и ноутбуках, аккумуляторы с жидким натрием не потеряют свою емкость быстро».

Полная история через Boston Globe →

Связанные ссылки

• Gang Chen
• Liang Fu
• Mingda Li
• Отдел машиностроения

.

• Школа наук

Выработка электроэнергии из тепла без движущихся частей

Утрехт, город с населением 350 000 человек, в основном передвигающийся на велосипедах, расположенный к югу от Амстердама, стал испытательным полигоном для методов двунаправленной зарядки, которые вызывают живой интерес автопроизводителей, инженеров, городских менеджеров и энергетических компаний во всем мире. Эта инициатива реализуется в условиях, когда обычные граждане хотят путешествовать, не вызывая выбросов, и все больше осознают ценность возобновляемых источников энергии и энергетической безопасности.

«Мы хотели перемен, — говорит Элко Эеренберг, один из заместителей мэра Утрехта и олдермен по вопросам развития, образования и общественного здравоохранения. Часть изменений связана с расширением городской сети зарядки электромобилей. «Мы хотим предсказать, где нам нужно построить следующую электрическую зарядную станцию».

Так что это хороший момент, чтобы подумать о том, где впервые появились концепции «автомобиль-сеть», и увидеть в Утрехте, как далеко они продвинулись.

Прошло 25 года с тех пор, как эксперт по энергетике и окружающей среде Делавэрского университета Уиллетт Кемптон и экономист по энергетике из колледжа Грин-Маунтин Стив Летендре описали то, что они видели как «зарождающееся взаимодействие между электромобилями и системой электроснабжения». Этот дуэт вместе с Тимоти Липманом из Калифорнийского университета в Беркли и Алеком Бруксом из AC Propulsion заложил основу для передачи энергии от транспортного средства к сети.

Инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток при зарядке автомобиля и обратно при подаче электроэнергии в сеть. Это хорошо для сетки. Еще предстоит ясно показать, почему это хорошо для водителя.

Их первоначальная идея заключалась в том, что автомобили в гараже будут иметь двустороннее компьютерное подключение к электросети, которая сможет получать питание от автомобиля, а также обеспечивать его питанием. Кемптон и Летендре
Статья 1997 года в журнале Transportation Research описывает, как энергия аккумуляторов от электромобилей в домах людей будет питать сеть во время аварийной ситуации или отключения электроэнергии. С уличными зарядными устройствами вам даже не понадобится дом.

В двунаправленной зарядке используется инвертор размером с житницу, расположенный либо в специальном зарядном устройстве, либо на борту автомобиля. Инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток при зарядке автомобиля и обратно при подаче электроэнергии в сеть. Это хорошо для сетки. Еще предстоит ясно показать, почему это хорошо для водителя.

Это животрепещущий вопрос. Владельцы автомобилей могут заработать немного денег, возвращая немного энергии в сеть в подходящее время, или могут сэкономить на своих счетах за электроэнергию, или могут таким образом косвенно субсидировать эксплуатацию своих автомобилей. Но с того момента, как Кемптон и Летендре изложили концепцию, потенциальные пользователи также опасались потерять деньги из-за износа батареи. То есть, не приведет ли циклирование батареи к преждевременному износу самого сердца автомобиля? Эти нерешенные вопросы сделали неясным, приживутся ли когда-нибудь технологии «автомобиль-сеть».

Наблюдатели за рынком стали свидетелями целой череды моментов, когда технология «автомобиль-сеть» практически достигла цели. В 2011 году в Соединенных Штатах Университет Делавэра и базирующаяся в Нью-Джерси коммунальная компания NRG Energy подписали
технологическая лицензия на первое коммерческое развертывание технологии «автомобиль-сеть». Их исследовательское партнерство длилось четыре года.

В последние годы наблюдается всплеск этих пилотных проектов в Европе и США, а также в Китае, Японии и Южной Корее. В Соединенном Королевстве эксперименты
в настоящее время происходит в загородных домах с использованием внешних настенных зарядных устройств, измеряемых для предоставления владельцам транспортных средств кредита на их счета за коммунальные услуги в обмен на загрузку аккумулятора в часы пик. Другие испытания включают коммерческие автопарки, набор фургонов в Копенгагене, два электрических школьных автобуса в Иллинойсе и пять в Нью-Йорке.

Однако эти пилотные программы так и остались пилотными. Ни одна из них не превратилась в крупномасштабную систему. Это может скоро измениться. Опасения по поводу износа аккумуляторов ослабевают. В прошлом году Хета Ганди и Эндрю Уайт из
Университет Рочестера смоделировал экономику перехода от транспортного средства к сети и обнаружил, что затраты на износ аккумуляторов минимальны. Ганди и Уайт также отметили, что капитальные затраты на батареи со временем заметно снизились: с более чем 1000 долларов США за киловатт-час в 2010 году до примерно 140 долларов США в 2020 году.

По мере того, как технология перехода от транспортного средства к сети становится доступной, Утрехт становится одним из первых мест, где ее полностью внедряют.

Ключевой силой изменений, происходящих в этом продуваемом всеми ветрами голландском городе, является не тенденция мирового рынка или зрелость инженерных решений. Это мотивированные люди, которые также оказываются в нужном месте в нужное время.

Один из них — Робин Берг, основавший компанию под названием
We Drive Solar из его дома в Утрехте в 2016 году. Он превратился в оператора по совместному использованию автомобилей с 225 электромобилями различных марок и моделей — в основном Renault Zoes, а также Tesla Model 3s, Hyundai Konas и Hyundai Ioniq 5s. Попутно привлекая партнеров, Берг наметил способы обеспечить двунаправленную зарядку для парка We Drive Solar. Сейчас в его компании 27 автомобилей с возможностью двунаправленного движения, и ожидается, что в ближайшие месяцы будет добавлено еще 150.

В 2019 году король Нидерландов Виллем-Александр руководил установкой двунаправленной зарядной станции в Утрехте. Здесь король [в центре] показан вместе с Робином Бергом [слева], основателем We Drive Solar, и Жеромом Панно [справа], генеральным менеджером Renault в Бельгии, Нидерландах и Люксембурге. Патрик ван Катвейк/Getty Images

Собрать этот флот было непросто. Два двунаправленных Renault Zoe We Drive Solar — это прототипы, которые Берг получил в партнерстве с французским автопроизводителем. Серийные Zoe, способные к двунаправленной зарядке, еще не вышли. В апреле прошлого года Hyundai поставила We Drive Solar 25 двунаправленных дальнобойных Ioniq 5. Это серийные автомобили с модифицированным программным обеспечением, которые Hyundai выпускает в небольшом количестве. Компания планирует внедрить эту технологию в стандартную комплектацию будущей модели.

1500 абонентов We Drive Solar не должны беспокоиться об износе аккумуляторов — если это проблема компании, то Берг так не думает. «Мы никогда не доходим до краев аккумулятора», — говорит он, имея в виду, что аккумулятор никогда не заряжается до достаточно высокого или низкого уровня, чтобы существенно сократить срок его службы.

We Drive Solar — это не бесплатный сервис, который можно забрать из приложения и доставить туда, куда вы хотите. Для автомобилей предусмотрены специальные парковочные места. Абоненты бронируют свои автомобили, забирают и сдают их в одном и том же месте и ездят на них, куда хотят. В тот день, когда я был у Берга, две его машины направлялись в швейцарские Альпы, а одна направлялась в Норвегию. Берг хочет, чтобы его клиенты рассматривали определенные автомобили (и связанные с ними парковочные места) как свои собственные и регулярно пользовались одним и тем же транспортным средством, обретая чувство собственности на то, чем они вообще не владеют.

То, что Берг сделал решительный шаг в сфере совместного использования электромобилей и, в частности, в сетевых технологиях, таких как двунаправленная зарядка, неудивительно. В начале 2000-х он основал местного поставщика услуг под названием LomboXnet, установив антенны Wi-Fi в пределах прямой видимости на шпиле церкви и на крыше одного из самых высоких отелей города. Когда интернет-трафик начал переполнять его радиосеть, он проложил оптоволоконный кабель.

В 2007 году Берг получил контракт на установку солнечных батарей на крыше местной школы с идеей создания микросети. Сейчас он управляет 10 000 панелями на крышах школ по всему городу. В его шкафу в прихожей стоит коллекция счетчиков электроэнергии, которые отслеживают солнечную энергию, частично поступающую в аккумуляторы электромобилей его компании — отсюда и название компании We Drive Solar.

Берг не узнал о двунаправленной зарядке через Кемптона или кого-либо из первых чемпионов технологии «автомобиль-сеть». Он услышал об этом из-за
Катастрофа на АЭС Фукусима десять лет назад. В то время у него был Nissan Leaf, и он читал о том, как эти автомобили обеспечивали аварийное электроснабжение в районе Фукусимы.

«Хорошо, это интересная технология», — вспоминает Берг. «Есть ли способ масштабировать его здесь?» Nissan согласился отправить ему двунаправленное зарядное устройство, и Берг позвонил градостроителям Утрехта, сказав, что хочет проложить для него кабель. Это привело к большему количеству контактов, в том числе в компании, управляющей местной низковольтной сетью,
Стедин. После того, как он установил свое зарядное устройство, инженеры Стедина захотели узнать, почему его счетчик иногда работал в обратном направлении. Позже Ирэн тен Дам из Утрехтского агентства регионального развития узнала об его эксперименте и была заинтригована, став сторонником двунаправленной зарядки.

Берг и люди, работающие в городе, которым нравилось то, что он делал, привлекли новых партнеров, в том числе Стедина, разработчиков программного обеспечения и производителя зарядных станций. К 2019 году
Виллем-Александр, король Нидерландов, руководил установкой двунаправленной зарядной станции в Утрехте. «Как для города, так и для сетевого оператора самое замечательное то, что они всегда ищут способы масштабирования», — говорит Берг. Они не просто хотят сделать проект и сделать отчет о нем, говорит он. Они действительно хотят перейти к следующему шагу.

Следующие шаги выполняются все быстрее. В настоящее время в Утрехте имеется 800 двунаправленных зарядных устройств, разработанных и изготовленных голландской инженерной фирмой NieuweWeme. Скоро городу понадобится гораздо больше.

Количество зарядных станций в Утрехте резко возросло за последнее десятилетие.

«Люди покупают все больше и больше электромобилей, — говорит Иренберг, олдермен. Городские власти заметили всплеск таких покупок в последние годы только для того, чтобы услышать жалобы от жителей Утрехта на то, что им пришлось пройти долгий процесс подачи заявок, чтобы установить зарядное устройство там, где они могли бы его использовать. Эеренберг, ученый-компьютерщик по образованию, все еще работает над тем, чтобы развязать эти узлы. Он понимает, что город должен двигаться быстрее, если он хочет выполнить требование правительства Нидерландов о том, чтобы через восемь лет все новые автомобили были с нулевым уровнем выбросов.

Количество энергии, используемой для зарядки электромобилей в Утрехте, резко возросло в последние годы.

Несмотря на то, что аналогичные предписания по увеличению количества автомобилей с нулевым уровнем выбросов на дорогах в Нью-Йорке и Калифорнии в прошлом не срабатывали, сейчас потребность в электрификации автомобилей возрастает. И городские власти Утрехта хотят опередить спрос на более экологичные транспортные решения. Это город, который только что построил центральный подземный гараж на 12 500 велосипедов и потратил годы на то, чтобы прорыть автостраду, проходящую через центр города, и заменить ее каналом во имя чистого воздуха и здорового городского образа жизни.

Движущей силой этих изменений является Маттейс Кок, городской менеджер по энергопереходу. Он провел меня — естественно, на велосипеде — по новой зеленой инфраструктуре Утрехта, указав на некоторые недавние дополнения, такие как стационарная батарея, предназначенная для хранения солнечной энергии от множества панелей, которые планируется установить в местном жилом комплексе.

На этой карте Утрехта показана городская инфраструктура для зарядки электромобилей. Оранжевые точки — расположение существующих зарядных станций; красные точки обозначают разрабатываемые зарядные станции. Зеленые точки — возможные места для будущих зарядных станций.

«Вот почему мы все это делаем», — говорит Кок, отходя от своего велосипеда и указывая на кирпичный сарай, в котором находится трансформатор мощностью 400 киловатт. Эти трансформаторы являются последним звеном в цепи, которая идет от электростанции к высоковольтным проводам, к подстанциям среднего напряжения, к низковольтным трансформаторам и кухням людей.

В обычном городе таких трансформаторов тысячи. Но если слишком много электромобилей в одном районе нуждаются в зарядке, такие трансформаторы могут легко перегрузиться. Двунаправленная зарядка обещает облегчить такие проблемы.

Кок работает с другими в городском правительстве над сбором данных и созданием карт, разделяющих город на районы. Каждый из них аннотирован данными о населении, типах домохозяйств, транспортных средств и других данных. Вместе с нанятой группой по анализу данных и при участии обычных граждан они разработали алгоритм, основанный на политике, чтобы помочь выбрать лучшие места для новых зарядных станций. Город также включил стимулы для развертывания двунаправленных зарядных устройств в свои 10-летние контракты с операторами зарядных станций для транспортных средств. Итак, в этих зарядках пошли.

Эксперты ожидают, что двунаправленная зарядка будет особенно хорошо работать для транспортных средств, которые являются частью автопарка, движение которого предсказуемо. В таких случаях оператор может легко запрограммировать, когда заряжать и разряжать автомобильный аккумулятор.

We Drive Solar зарабатывает кредит, отправляя энергию аккумуляторов из своего парка в местную сеть в периоды пикового спроса и подзаряжая аккумуляторы автомобилей в непиковые часы. Если это так хорошо, водители не теряют запас хода, который им может понадобиться, когда они забирают свои машины. И эти ежедневные сделки по энергоснабжению помогают снизить цены для абонентов.

Поощрение схем совместного использования автомобилей, таких как We Drive Solar, нравится властям Утрехта из-за проблем с парковкой — хронической болезни, характерной для большинства растущих городов. Огромная строительная площадка недалеко от центра Утрехта скоро добавит 10 000 новых квартир. Дополнительное жилье приветствуется, но дополнительных 10 000 автомобилей не будет. Планировщики хотят, чтобы это соотношение было больше похоже на одну машину на каждые 10 домохозяйств, и количество выделенных общественных парковок в новых районах будет отражать эту цель.

Некоторые автомобили We Drive Solar, в том числе Hyundai Ioniq 5, поддерживают двунаправленную зарядку. We Drive Solar

Прогнозы крупномасштабной электрификации транспорта в Европе обескураживают. Согласно отчету Eurelectric/Deloitte, к 2030 году в Европе может быть от 50 до 70 миллионов электромобилей, для чего потребуется несколько миллионов новых точек зарядки, двунаправленных или иных. Для поддержки этих новых станций распределительным сетям потребуются сотни миллиардов евро инвестиций.

За утро до того, как Эеренберг сел со мной в мэрии, чтобы объяснить алгоритм планирования Утрехтской зарядной станции, на Украине разразилась война. Цены на энергоносители в настоящее время напрягают многие домохозяйства до предела. Бензин достиг 6 долларов за галлон (если не больше) в некоторых местах в Соединенных Штатах. В середине июня в Германии водителю скромного VW Golf пришлось заплатить около 100 евро (более 100 долларов США) за заправку бака. В Великобритании счета за коммунальные услуги выросли в среднем более чем на 50 процентов 1 апреля.

Война перевернула энергетическую политику на европейском континенте и во всем мире, сосредоточив внимание людей на энергетической независимости и безопасности и укрепив уже начатую политику, такую ​​как создание зон без выбросов в центрах городов и замена обычных автомобилей электрическими. те. Часто неясно, как лучше осуществить необходимые изменения, но моделирование может помочь.

Нико Бринкель, работающий над докторской диссертацией в
Лаборатория интеграции фотогальваники Вильфрида ван Сарка в Утрехтском университете фокусирует свои модели на местном уровне. В
Согласно своим расчетам, в Утрехте и его окрестностях укрепление низковольтной сети стоит около 17 000 евро за трансформатор и около 100 000 евро за километр сменного кабеля. «Если мы перейдем к полностью электрической системе, если мы добавим много энергии ветра, много солнечной энергии, много тепловых насосов, много электромобилей…», — его голос затихает. «Наша сеть не была предназначена для этого».

Но электрическая инфраструктура должна не отставать.
Одно из исследований Бринкеля предполагает, что если бы большая часть зарядных устройств для электромобилей была двунаправленной, такие расходы можно было бы распределить более управляемым образом. «В идеале, я думаю, было бы лучше, если бы и все новых зарядных устройств были двунаправленными», — говорит он. «Дополнительные расходы не так уж велики».

Берга не нужно убеждать. Он думал о том, что двунаправленная зарядка предлагает всем Нидерландам. Он полагает, что 1,5 миллиона электромобилей с двунаправленными возможностями — в стране с 8 миллионами автомобилей — уравновесят национальную энергосистему. «Тогда с возобновляемой энергией можно было делать что угодно», — говорит он.

Учитывая, что в его стране всего сотни автомобилей, способных заряжаться в обоих направлениях, 1,5 миллиона — это большое число. Но однажды голландцы действительно могут туда попасть.

Эта статья появилась в печатном выпуске за август 2022 г. под названием «Дорожное испытание технологии «автомобиль-к-сетям».

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Профессор Эрнст Бауэр в лаборатории. 1 кредит

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток за счет разницы температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам снабжать себя энергией без проводов.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если есть разница температур между двумя концами такого материала, может генерироваться электрическое напряжение и может начать течь ток. Количество электрической энергии, которое может быть выработано при данной разности температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие на сегодняшний день термоэлектрики были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученым из TU Wien (Вена) удалось разработать совершенно новый материал со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли бы генерировать собственное электричество за счет разницы температур. Новый материал был представлен в журнале Nature .

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека и отвечать двум важным требованиям, которые трудно согласовать», — говорит профессор Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела при ТУ. Вена. «С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, с другой стороны, он должен как можно хуже проводить тепло. Это сложная задача, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Христианской доплеровской лаборатории термоэлектричества, созданной Эрнстом Бауэром в Техническом университете Вены в 2013 году, в течение последних нескольких лет изучались различные термоэлектрические материалы для различных применений. Это исследование привело к открытию особенно замечательного материала — комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно располагаются в строго правильном порядке в так называемой гранецентрированной кубической решетке», — говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно для других типов атомов. Таким образом, весь кристалл полностью правильный».

Однако при нанесении тонкого слоя материала на кремний происходит нечто удивительное: структура радикально меняется. Хотя атомы по-прежнему образуют кубическую структуру, теперь они располагаются в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. «Два атома железа могут располагаться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует какого-либо правила, определяющего, где в кристалле должен находиться следующий атом железа», — объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и неправильности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле. «Электрический заряд проходит через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля», — говорит Эрнст Бауэр. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

Колебания решетки, с другой стороны, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются неоднородностями кристаллической структуры. Следовательно, теплопроводность снижается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно генерироваться из разницы температур, потому что, если бы разница температур могла очень быстро уравновешиваться и весь материал вскоре имел бы везде одинаковую температуру, термоэлектрический эффект остановился бы.

Электричество для Интернета вещей

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но его преимущество заключается в том, что он чрезвычайно компактен и легко адаптируется», — говорит Эрнст Бауэр. «Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных приложений». Спрос на такие малогабаритные генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств связываются вместе онлайн, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамично реагировать на другую.

«Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не можете соединить их все вместе. Гораздо разумнее, если датчики смогут генерировать собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства», — говорит Бауэр.

Узнать больше

Как заморозить теплопроводность

Дополнительная информация:
Б. Хинтерлейтнер и соавт.