Преобразование тепловой энергии в холод: Создан преобразователь тепла в холод

alexxlab
05.01.2019
Комментарии: 0

Содержание

Создан преобразователь тепла в холод

Скромных познаний в физике достаточно для того, чтобы представлять себе общую картину эффективности современных двигателей внутреннего сгорания. На полезную работу уходит всего 25-40% выделяемой при сгорании топлива энергии. Большая её часть в виде тепла “уходит” в окружающую среду. Схожая ситуация происходит на тепловых электростанциях и других промышленных объектах. Помимо повышенного расхода углеводородов, это вредит экологии и является причиной дискомфорта. Даже офисный компьютер может поднять температуру в помещении, не говоря уже про серверные стойки, которые могут нормально функционировать только под постоянным обдувом кондиционерами.

Количество искусственных источников тепла растёт с каждым днём, но, к счастью, научный прогресс не стоит на месте. Инженеры Государственного университета Орегона (США) создали установку для улавливания тепла и преобразования его в холод, о чём сообщают нам журналисты сайта DailyTech . При проектировании этой установки учёные смогли совместить цикл газовой компрессии с циклом Ранке, в результате чего удалось добиться “возвращения” до 80% уходящей тепловой энергии, правда… в виде холода. Преобразование улавливаемого тепла в электричество, к сожалению, не имеет такой эффективности, она составляет около 15-20%, хотя и это уже неплохо.

Очевидно, что подобные устройства могут быть использованы в самом широком спектре отраслей. К примеру, такую установку можно закрепить на выхлопной системе автомобиля, получая кондиционер, не требующий дополнительного расхода топлива. Бюджет Министерства Обороны США является одним из источников финансирования данного проекта, потому ведомство заинтересовано в возможности охлаждения электроники в полевых условиях, за счёт (если можно так выразиться) тепла дизельных генераторов. У специалистов университета уже имеется реально функционирующий прототип данной установки. Он работает именно так, как задумывали учёные, и продолжает совершенствоваться.

Как из тепла сделать… холод?

В нашем воображении само понятие «теплофизика» обычно связывается с производством тепла, эффективностью сжигания топлива, с получением энергии. Понятно, что для жителей Сибири тепло стоит на более важном месте, нежели холод. Тем не менее, производство холода – это тоже одна из актуальных задач для ученых, работающих в области теплофизики. И самое примечательное – для производства холода они предлагают привлекать всё то же тепло!

Зачем нужно производить холод, думаю, многим из нас понятно. Холод нужен для хранения продуктов, для создания благоприятного микроклимата в помещениях, для определенных производственных процессов. У каждого из нас в доме стоит холодильник, все нормальные общественные здания оборудованы кондиционерами. Представьте себе кафе, магазин, гостиницу или бизнес-центр без кондиционера, и вы поймете, что система охлаждения не менее важна, чем система отопления, даже если речь идет о Сибири. Зимой, ясное дело, мы нуждаемся в тепле. А летом? Лето в наших краях тоже иногда бьет рекорды по жаре. А уж про южные страны и говорить нечего.

Короче говоря, современные параметры комфорта и потребность в хранении продуктов так или иначе требуют производства холода. И надо сказать, что из года в год потребность в искусственном холоде увеличивается как в России, так и за рубежом.

Как производят холод? На сегодняшний день существует два основных типа холодильных машин – парокомпрессионные холодильные машины и абсорбционные бромистолитиевые машины. Первый тип нам хорошо известен – так устроены наши бытовые холодильники, работающие от электросети. Работа таких машин основана на изменении агрегатных состояний холодильного агента – хладона (фреона) – под воздействием механической энергии. Для превращения электрической энергии в механическую здесь, как мы знаем, используются компрессоры.

Что касается холодильных машин второго типа, то их работа основана на химическом взаимодействии веществ рабочей пары – абсорбента и хладогента, и изменении агрегатного состояния хладогента под воздействием тепловой энергии.

Иначе говоря, для своей работы такие машины используют тепло.

И вот здесь мы как раз и подходим к самому важному моменту, касающемуся холодильных машин второго типа. Так вот, если в первом случае нам для производства холода необходимо тратить электроэнергию, то во втором случае мы вполне можем использовать «лишнее» тепло, которое при иных обстоятельствах очень часто вылетает в трубу (в буквальном смысле). Конечно, греющими источниками для таких машин могут служить и обычные энергоресурсы – газ или мазут, но также можно вовсю использовать пар из котельных, промежуточные отборы ТЭЦ, горячую воду, дымовые газы или отходящие пары производств. Иначе говоря, тепло, выбрасываемое в атмосферу, благодаря абсорбционным машинам вполне пригодно для производства холода. То есть, в этом случае нет необходимости тратить ценные энергоресурсы – достаточно рачительно использовать «излишки» тепла, коих особенно много образуется как раз в летний период, когда имеет смысл охлаждать помещения.

Надо сказать, что экономичность – это одно из важнейших преимуществ абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин перед парокомпрессионными. Как мы понимаем, в условиях постоянного роста тарифов на электроэнергию это становится особенно важно.

Другое немаловажное преимущество – экологичность, связанная с отсутствием хладонов (фреонов), применение которых ограничено во многих странах в соответствии с Монреальским и Киотским протоколами. На бромистолитиевые машины подобные ограничения не распространяются. Используемый здесь в качестве абсорбента водный раствор бромистого лития является нелетучим и нетоксичным, относящимся к малоопасным веществам.

Еще одно преимущество связано с низким уровнем шума при роботе. Также можно упомянуть простоту в обслуживании, длительный срок службы и пожаро- и взрывобезопасность.

Благодаря указанным преимуществам такие машины в состоянии найти широкое применение как в быту, так и в хозяйственной деятельности. Спектр их применения достаточно широк – от металлургических предприятий, атомных электростанций, нефтехимических комбинатов – до тепличных хозяйств, многоквартирных домов, торговых центров и прочих общественных зданий, где требуется создать комфортный микроклимат. И самое важное (подчеркнем еще раз), этого комфорта можно добиться при минимальных затратах электроэнергии!

Разрабатывают ли в нашей стране такие машины? Да, разрабатывают! И даже производят. Как раз такой образец, разработанный специалистами Института теплофизики СО РАН, производится в Кемеровской области. Причем важно заметить, что отечественные машины обладают некоторыми преимуществами в сравнении с иностранными. Например, они, что называется, «подстраиваются» под конкретного потребителя. Наши специалисты используют гибкую систему проектирования и осуществляют сборку на самом объекте. Причем, заказчикам они могут предложить машину очень большой мощности – до 5,3 МВт. Кроме того, учитывая сложные реалии, разработчики предусмотрели – специально для аварийных случаев – дублирование автоматической системы управления ручной системой (с помощью «кнопочек»).

Однако такой индивидуальный подход выявил и свои слабые места. Речь идет о рыночной конкуренции с зарубежными серийными образцами (поступающими, главным образом, – из Китая). Так, зарубежные производители, «штампующие» такие машины на конвейере, в состоянии прибегнуть к демпингу. А если говорить о китайцах, то те вообще могут рассчитывать на государственную поддержку, осуществляя завоевание российского рынка. Нашим производителям государство помогать не собирается (и не будет).

Так что пока еще о серийном производстве отечественных машин речь не идет. Это, конечно, только в планах. Поэтому в настоящее время (что очень важно), специалисты ИТ СО РАН доводят свое детище до совершенства, максимально подстраиваясь под запросы каждого потребителя. Возможно, в этом индивидуальном подходе есть свой плюс. Не исключено, что такая вот «ручная сборка» когда-нибудь станет показателем высокого качества и будет высоко оценена на рынке.

Олег Носков

Энергия тепла и холода: зачем нужны термоэлектрики | Мнения

Такого же типа устройства могут быть использованы в ЖКХ. Если в доме имеются нагревательные системы, значит есть и условия для создания разницы температур. А термоэлектрические материалы уже преобразуют избыточную часть тепла в дополнительное электричество. Правда, пока они это делают с очень малым КПД (6–7%).

Но и этого может хватить для обеспечения энергией телевизора или компьютера.

Термоэлектрические материалы были открыты довольно давно. Сначала немецкий ученый Томас Иоганн Зеебек обнаружил взаимосвязь между теплом и электричеством. Затем термоэлектрические явления более подробно изучил французский физик Жан Пельтье. Сумма законов Зеебека и Пельтье послужила основой для первого экспериментального наблюдения термоэлектрического эффекта. Его в середине XIX века произвел российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он взял спай из проволок висмута и сурьмы, поместил на него каплю воды, пропустил электричество, и капля замерзла.

С тех пор прошло довольно много времени, прежде чем термоэлектрические материалы нашли практическое применение. Произошло это благодаря нашему соотечественнику академику Абраму Федоровичу Иоффе, который еще в 1940-е годы высказал идею, что термоэлектрические материалы из очень тяжелых элементов могут быть достаточно эффективны для применения. Иоффе предложил два соединения: теллурид висмута и теллурид свинца. Свои работы он опубликовал на рубеже 1940-1950-х годов, после чего началось развитие исследований в области термоэлектрических материалов с целью создать своего рода отрасль промышленности, которая эти термоэлектрические материалы будет выпускать.

Для того чтобы определить, насколько велика эффективность тех или иных термоэлектрических материалов, нужна была система измерения. И тогда придумали такую безразмерную величину, которая называется «добротность термоэлектрического материала». Она учитывает эффект передачи носителей заряда и эффект передачи носителей тепла в одном соединении.

Для соединений, предложенных академиком Иоффе, величина добротности составила примерно 0,6. Благодаря усилиям по легированию, допированию этих соединений, они за довольно короткое время были доведены до большей эффективности, равной уже 0,9, и началось промышленное производство.

С тех пор все попытки улучшить эффективность термоэлектрического материала были бесплодными, пока в середине 90-х годов XX века новую идею не выдвинул Слэк, американский физик из Ренселеровского политехнического университета. Он сказал, что раз огромную роль играют два процесса: транспорта носителей зарядов, то есть электронов или дырок, и транспорта фононов, то есть транспорта тепла, — то нужно создать такое соединение, в котором эти два типа транспорта будут разделены. И он придумал концепцию с названием «фононное стекло — электронный кристалл».

На базе этой концепции, которая уточнялась, видоизменялась (превратившись в «фононную жидкость и электронный кристалл»), в течение последних 15 лет были созданы новые термоэлектрические материалы. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но, если суммировать все, что мы имеем на сегодняшний день, то для того чтобы создать холод под действием электричества, нет ничего лучше теллурида висмута. А вот для того чтобы создавать электричество под действием температур в диапазоне 200-600 градусов, были найдены новые соединения.

Вопрос в том, как довести эти соединения до промышленных технологий.

Чем эти новые соединения интересны? Например, они не содержат такого элемента, как теллур, который является одним из самых редких элементов на Земле. А до сих пор без теллура не обходится производство ни одного термоэлектрического материала. То есть появилась возможность заменить его на более доступные вещества: железо, медь, сурьму, никель, серу, селен.

Появились и новые направления использования термоэлектрических материалов. Еще в 50-е — начале 60-х годов XX века их стали использовать в космосе. Идея заключалась в том, что тепло, необходимое для работы термоэлектрического материала, должен дать радиоактивный источник. Были созданы такие устройства, в которых образец плутония, саморазогреваясь, давал достаточно тепла для того, чтобы на автономных системах — спутниках, космических объектах — работали термоэлектрические материалы и давали бортовое питание.

Сегодня мы хорошо понимаем, что использование радиоактивных материалов небезопасно и уж никак нельзя перенести этот опыт на то, что мы называем объектами народного хозяйства или объектами быта — безопасность здесь превыше всего. Тем не менее, существуют идеи использования альтернативных источников тепла (например, инфракрасного излучения Солнца) для работы термоэлектрических материалов и преобразования тепловой энергии в электрическую.

На сегодняшний день ведется много разработок по всему миру, в том числе в МГУ и питерском Физтехе. Они показывают, что идеи, выдвинутые Слэком в середине 1990-х годов, все еще живы, и на их основе можно создать новые термоэлектрические материалы с более высоким КПД.

Уровень развития термоэлектрических разработок пока таков, что весь рынок составляет порядка $6 млрд в год, и его сильного увеличения пока не предвидится. Тем не менее, эффективность термоэлектрического материала, как материала, который работает, по сути дела, автономно, обеспечивая небольшое, но заметное замещение углеводородных источников энергии, нельзя сбрасывать со счетов.

Найден способ добывать энергию из холода

Команда ученых из Лос-Анджелеса и Стэндфордского университета создала устройство, которое вырабатывает ток, направляя остаточное дневное тепло в охлажденный воздух. Таким образам, по словам самих авторов проекта, их устройство может использовать и космический холод для создания возобновляемого источника энергии. «Мы считаем, что данная технология позволит эффективно дополнить солнечные батареи и позволят добывать энергию даже в те часы, когда доступ к солнечному свету закрыт», рассказывает Аасват Раман, один из авторов проекта.

При всех своих достоинствах, солнечная энергия — увы, не решение всех энергетических проблем человечества. Даже на Земле люди возвращаются домой и начинают активно использовать электроприборы уже в вечерние часы. Конечно, энергию, накопленную за день, можно запасать — однако куда экономичнее и проще дополнить ее системами «ночной» добычи.

В отличие от многих аналогов, новый прибор работает благодаря термоэлектрическому эффекту. Используя материал, называемый термопарой, инженеры могут преобразовать изменение температуры в разницу напряжения. Для этого с одной стороны нужен потенциальный источник тепла, а с другой — место для овода тепловой энергии. Проблема же заключается в том, чтобы правильно расположить материалы так, чтобы они генерировали напряжение из охлажденной среды.

Более того, большинство термоэлектрических систем полагаются на слишком дорогие для массового использования материалы, так что команда проявила изобретательность и спроектировала свои изделия из максимально простых и дешевых частей. Ученые собрали дешевый термоэлектрический генератор и скрепили его черным алюминиевым диском, чтобы излучать тепло в ночной воздух, когда он повернут в сторону неба. Генератор был помещен в полистирольный корпус, закрытый прозрачным для инфракрасного света окном, и соединен с одним крошечным светодиодом.

Космический холод превратили в электричество – Наука

Инженеры из США и Японии представили устройство, которое может получать электроэнергию из космического холода. Пока речь идет об очень малой мощности в десятки нановатт, но теоретически подобным способом можно получать и вполне значимые на практике 4 ватта с квадратного метра.

Солнечные батареи становятся все дешевле и эффективнее. Их цена каждый год падает на несколько процентов, а КПД массово выпускаемых фотоэлементов достиг 20%, и ежегодно он прибавляет несколько десятых процента. Солнечных батарей становится все больше, но у этой отрасли альтернативной энергетики есть принципиальный недостаток — она не выдает электричество по ночам.

Исследователи из США и Японии описали в журнале Applied Physics Letters устройство, которое позволяет получать электроэнергию за счет темноты и холода ночного неба. Идея, лежащая в основе изобретения, очень проста: днем поток энергии идет от Солнца к предметам на поверхности Земли, а ночью нагретые днем предметы отдают тепло в космическое пространство. А там, где есть поток тепла, его можно использовать для генерации электричества за счет тех или иных устройств — от классических тепловых машин до разного рода термоэлектрических преобразователей.

Классическая тепловая машина — это концепция в термодинамике, которая описывает универсальное устройство с нагревателем и холодильником. Примеры таких машин, где нагревание обеспечено сгорающим топливом, а охлаждение — окружающей средой, — это двигатель внутреннего сгорания, паровая машина, реактивная турбина. Если заменить сгорание топлива иным источником энергии, суть не поменяется, полезная работа будет получаться за счет потока тепла от горячего к холодному.

Для того чтобы их устройство могло отдавать тепло возможно большей площади неба, ученые использовали большое параболическое зеркало. Образно говоря, оно фокусировало темноту. В фокусе зеркала находился фотодиод, который днем работал как солнечный фотоэлемент, а ночью остывал за счет испускания инфракрасных лучей в ночное небо. Температура фотодиода в результате оказывалась ниже, чем у нагревшейся за день металлической подложки под ним. Этой разницы оказалось достаточно для получения электричества.

Схема установки, которую собрали исследователи. Masashi Ono

Преобразовать разницу температур фотодиода и подложки в электричество позволил элемент Пельтье, давно известное полупроводниковое устройство. При пропускании электрического тока одна сторона его нагревается, а другая остывает (этот эффект используют в компактных холодильниках). При нагреве одной стороны и охлаждении другой элемент Пельтье, напротив, выдает электрическое напряжение.

Расположив такое устройство в своей установке, ученые смогли получить немного электроэнергии из ночного холода. Как отмечают авторы, «можно собирать приходящее излучение, а можно использовать исходящее. В результате получается очень красивая симметрия в рамках оптоэлектронных технологий».

Читайте также: Темная сторона «зеленой» индустрии. «Критические географы» продемонстрировали, какими средствами ветроэнергетика подминает под себя окраины Дании

В первом проведенном эксперименте исследователи получили ничтожно малую мощность — десятки нановатт с квадратного метра. Этого мало даже для самых нетребовательных приборов. Но теоретические расчеты показывают, что мощность можно поднять вплоть до 4 ватт на квадратный метр. Современная солнечная батарея днем может выдать с той же площади до 200 ватт, но 4 ватта все равно больше, чем ноль.

Авторы работы предполагают, что их устройство, должным образом усовершенствованное, может быть не только частью теоретической работы. В частности, его можно будет использовать для того, чтобы превращать в электроэнергию тепло от нагревающихся станков.

Холод Вселенной помог добыть энергию

M. Ono et al. / Applied Physics Letters, 2019

Ученые экспериментально продемонстрировали возможность получения электричества, используя разность температур между Землей и космосом. Для этого они использовали эффект отрицательного освещения, что в некотором смысле противоположно получению энергии солнечной батареей. В результате физики смогли добиться генерации 64 нановатт мощности на квадратный метр установки, что очень мало, но заметно и значительно ниже теоретических пределов метода, пишут авторы в журнале Applied Physics Letters.

Стандартным вариантом солнечных батарей является фотодиод — полупроводниковый прибор, который генерирует электрический ток в случае облучения фотонами от нагретого до более высокой температуры источника. Однако можно реализовать в некотором смысле обратную схему, в рамках которой фотодиод с более высокой температурой взаимодействует посредством излучения с холодной поверхностью. В таком случае говорят, что диод находится в состоянии отрицательного освещения. Физики несколько лет назад доказали, что при идеальных условиях и поглощении лишь в узком диапазоне эффективность получения энергии стремится к предельному коэффициенту полезного действия для тепловых машин, определяемому теоремой Карно.

В общем случае энергию можно генерировать во всех ситуациях, когда есть поток тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Обычной ситуацией в данном случае является превращение энергии излучения горячего Солнца в электричество на поверхности относительно более холодной Земли. Тем не менее, можно также использовать излучение самой Земли, причем в таком случае холодным телом будет являться остальная Вселенная, средняя температура в которой определяется фотонами реликтового излучения и равняется примерно 2,7 кельвина.

Использование инфракрасного свечения тел на Земле потенциально позволяет создать источники возобновляемой энергии, работающие на тех же принципах, что и солнечные батареи, но функционирующие ночью. В работе под руководством Шаньхуэй Фаня (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета впервые экспериментально демонстрируется получение заметной электрической мощности при помощи фотодиода, направленного в ночное небо. «Мы экспериментально продемонстрировали генерацию электрической энергии напрямую из холодности Вселенной», — пишут ученые.

Авторы использовали излучение на длинах волн от 8 до 13 микрон, для которых атмосфера прозрачна. В результате им удалось зафиксировать генерацию электрического тока мощностью около 64 нановатт на квадратный метр установки. Эффективность преобразования энергии при этом составила 2,3×10^-5 процентов. Столь скромные значения физики связывают с неидеальным соответствием параметров использованного диода и окном прозрачности атмосферы, а также другими паразитными эффектами.

Исследователи построили теоретическую модель, учитывающую как потери в атмосфере, так и неидеальность диода. В результате они приходят к выводу, что теоретическим пределом подобных установок является мощность порядка 4 ватт на квадратный метр, то есть примерно в миллион раз больше, чем было продемонстрировано в текущей работе. Несмотря на то, что это значительно меньше, чем генерация современных солнечных батарей, для которых типичные значения находятся на уровне 100–200 ватт на квадратный метр, получаемого с использованием отрицательной освещенности электричества теоретически должно быть достаточно для питания многих работающих по ночам приборов. Другим применением подобной технологии может быть использование рассеиваемого нагретыми деталями машин тепла.

Недавно исследователи научили фотоматрицу одновременно вырабатывать себе энергию из регистрируемого света и фиксировать его. Также ученые доказали возможность преобразования света в электричество в природных неживых системах — некоторых видах почв и минеральных корках, образующихся на поверхности камней в сухом и жарком климате.

Тимур Кешелава

Сибирские ученые ищут способы преобразования тепла

Представьте, что вы находитесь в холодном (или жарком) заброшенном месте, к которому неприменимо слово “цивилизация”. После вопросов о жизни без супермаркетов и wi-fi вам наверняка захочется погреться или охладиться – в зависимости от температуры вокруг. Однако в условиях, где нет электричества, сделать это непросто – если только неподалеку нет адсорбционного преобразователя тепла.

Большинство возобновляемых источников энергии характеризуются несоответствием по времени между производством энергии и ее предоставлением потребителю. Иными словами, солнце светит только днем, а энергия нужна постоянно – в любое время суток и при любой погоде. Чтобы преодолеть эту несогласованность, необходимо запасти энергию и сделать ее доступной. Потому сотрудники Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН разрабатывают материалы для адсорбционного преобразования тепла (АПТ).

– В данном процессе используется специальная установка: два резервуара с жидкостью (испаритель и конденсатор), с которыми соединен реактор с сорбентом, – рассказывает научный сотрудник ИК СО РАН кандидат химических наук Александра Грекова. – Если пары жидкости поглощаются сорбентом, он разогревается: такое тепло можно использовать для бытовых нужд. Однако чтобы провести такие манипуляции повторно, необходимо регенерировать сорбент.

Для этого он сушится с помощью доступного тепла альтернативных источников энергии – солнечной либо тепловых отходов промышленного и бытового секторов. Затем, когда необходимо получить тепло (раз ночью солнечная энергия недоступна), сухой сорбент снова приводят в контакт с парами воды, что инициирует его разогрев. На следующее утро сорбент опять высушивают с помощью доступной днем энергии. Данная технология позволяет использовать энергию альтернативных источников не только в момент генерации, но и для запасания. Аналогичный процесс можно рассмотреть для сезонного цикла – запасание энергии летом, использование зимой – например, для подогрева пола или комнаты.

В проекте специалистов ИК СО РАН, который получил грант РНФ, заявлено не только запасание тепла и обогрев, но также охлаждение и кондиционирование. АПТ может работать и как обогреватель, и как холодильник: по закону сохранения энергии реактор с сорбентом разогревается, в то время как испаритель с жидкостью охлаждается. Если целевая стадия – нагрев, то теплоноситель пойдет через реактор и будет нести потребителю тепло, а если охлаждение – то через испаритель, чтобы доставить холод. По этому принципу работают сорбционные холодильники и кондиционеры в тех местах, где много тепла, но проблемы с электричеством – например, в Африке.

– Нам нужны материалы, которые способны вбирать как можно большее количество сорбтива – поглощаемого вещества, – добавляет исследовательница. – Традиционно в качестве сорбентов использовались различные пористые тела: угли, оксид алюминия, силикагели и т.д. Емкость данных материалов можно существенно увеличить за счет их модификации неорганическими солями. Такой композит будет обменивать в несколько раз больше сорбтива, чем исходная матрица. Кроме того, сейчас появились металл-органические каркасы, которые также могут быть использованы в АПТ.

Для хорошей работы технологии необходимо знать климатические условия, в которых будет работать машина, и в зависимости от этого подобрать специфический для данной климатической зоны сорбент. Поэтому целью проекта является обзор климатических условий России и оценка, в каких из них и с какими материалами можно реализовать работу АПТ.

– Сначала нужно рассчитать исходные условия (по сути, разделить карту на зоны), а затем подобрать сорбционные материалы с необходимыми свойствами, – добавляет Александра Грекова. – По результатам первого года я надеюсь получить таблицу, из которой смогу сделать выводы о перспективности конкретных материалов для адсорбционного преобразования тепла в тех или иных зонах РФ.

В следующем году для наиболее перспективных образцов планируется провести испытания в установках, моделирующих работу реальных АПТ. Перспективность материала определяется с помощью специальных расчетов, на базе литературного обзора существующих сорбентов.

– На территории РФ глобальных работ по такому обобщению мне найти не удалось, – заключает исследовательница. – Если для какой-то зоны не будет подобран подходящий материал среди существующих, мы применим концепцию целенаправленного синтеза: варьируя некоторые параметры при синтезе материала, можно менять его свойства. Конечно, не всегда можно получить желаемый результат, но мы надеемся преуспеть в данной работе.

Алена Литвиненко

термодинамика – Можно ли преобразовать холод в тепловую энергию?

У меня нет для вас однозначного ответа. Но я не верю, что существующие ответы дали этому подходящую трактовку, и я хотел бы оставить расширенный комментарий.

Вы можете извлечь полезную работу из температурного градиента – например, разная по температуре. Многие термодинамические процессы будут заботиться только о разнице температур, а не об абсолютных значениях (например, уравнение тепла остается неизменным, все еще выполняется при добавлении постоянного члена к температуре).Энергия по самому своему определению является числовой величиной, которая сохраняется благодаря неизменности во времени законов физики. Бывает, что что-то «горячее» имеет большое количество этого количества, а что-то «холодное» – небольшое количество.

В статье, которую вы связали, говорится:

… обращенная к небу поверхность передает свое тепло в атмосферу в виде теплового излучения, теряя часть тепла в космос и достигая более прохладной температуры, чем окружающий воздух.

Это означает, что устройство создает разницу температур между собой и окружающим воздухом.Затем эту разницу температур можно использовать для «полезной работы» (например, для зарядки электрической батареи). Что происходит, так это то, что устройство излучает часть тепловой энергии Земли в космос, и тепло из окружающего воздуха должно поступать, чтобы заменить его. Этот тепловой поток возникает из-за разницы температур между устройством и окружающим воздухом. Вот откуда берется «полезная работа». Что происходит, так это то, что часть энергии берется из источника тепла с более высокой температурой (окружающий воздух) и сбрасывается в источник с более низкой температурой (устройство), а часть ее идет на практические цели, такие как зарядка аккумулятора.

Относительно вашего вопроса:

Мы знаем, что тепло можно преобразовать в тепловую энергию с помощью термоэлектрических генераторов, но почему мы не можем генерировать энергию из холода? Как и температура Вселенной в 1К, можно ли в ближайшем будущем использовать ее в качестве источника энергии для зондов или спутников?

Сначала я собирался сказать ориентировочно нет . Однако если подумать об этом больше, я полагаю, что в принципе возможно излучать окружающее «тепло» зонда быстрее, чем оно поглощается из космоса.Это можно сделать, если поверхность зонда сильно отражает инфракрасный свет, но при этом эффективно действует как излучатель тепла. Так что это может быть скорее инженерная проблема, чем физическая невозможность. С умной оптикой, возможно, даже можно сфокусировать и улавливать тепло в оптическом колодце, так что достигается более высокая температура (я не знаю, может быть, 10K), от которой может быть разница в тепле (10K против 1K окружающего пространства) используется для извлечения полезной работы. Я не знаю, возможно ли это, но я не вижу никаких очевидных физических принципов, препятствующих этому.

Я надеюсь, что эксперт сможет подробнее рассказать об этом.

Термодинамика

– Могу ли я взять тепло из воздуха и преобразовать его в электричество?

Чтобы построить любой тепловой двигатель, как вы представляете, вам нужен как холодный, так и горячий резервуар, чтобы тепло могло течь от горячей части к холодной части, и энтропия не уменьшалась, пока вы производите энергию.

КПД такой машины имеет верхний предел $ (T _ {\ textrm {hot}} – T _ {\ textrm {cold}}) / T _ {\ textrm {cold}} $ (как задано идеальным движком Карно ). {- 1} $ (я использую постоянное давление один, поскольку мы не можем сжать воздух, не приложив к нему дополнительных усилий).{23} $ частиц примерно в $ 23 \ textrm {L} $. Отлично, теперь мы можем вычислить W!

$$ W = 1.03 \ textrm {кВтч} \ hat {=} 21 \ textrm {cent} $$

, где последнее равенство – это наивысшее число, которое я использовал для оценки цен на электроэнергию в Германии летом 2011 года.

В заключение: даже если предположить, что вам каким-то образом удастся построить идеальный двигатель Карно, используя тепло воздуха в вашем доме, и найти волшебный резервуар с постоянной температурой (возможно, в какой-то части Земли), вы получите около 20 евро за штуку. год из него (четыре месяца высокой температуры и одна “зарядка” в день).

На самом деле, просто поместите несколько солнечных батарей на крышу и соответствующую изоляцию на / в ваших стенах. ☺

Превращение тепла в звук в холод

Голландский стартап SoundEnergy использует термоакустику для преобразования отработанного или солнечного тепла в охлаждение без хладагентов или сжатия пара.

Компания

Sound Energy, базирующаяся в Энсхеде, Нидерланды, разработала установку без компрессора и хладагента, способную подавать холод до -25 ° C (-13 ° F), используя только отходящее тепло и почти не потребляя энергии. .

Это может звучать как сказка, но система THEAC-25 работает с использованием давно известных принципов термоакустики и цикла Стирлинга. И его уже внедряют несколько конечных пользователей.

В устройстве используется тот факт, что нагрев газа приводит к увеличению давления, а это означает, что можно использовать перепад температур для создания перепада давления. Это, в свою очередь, может быть использовано для создания звуковой волны, которая по сути является волной сжатия и разрежения. Затем эта волна усиливается, и возникающая механическая энергия может использоваться для охлаждения.По данным компании, эффективность теплопередачи составляет 40-50%.

В статье Forbes за февраль 2019 года финансовый директор SoundEnergy Рой Хаманс объяснил систему следующим образом: «Мы берем тепловую энергию … [и] преобразуем эту тепловую энергию в акустическую волну. Эта волна проходит через бесконечную петлю под давлением, в которой он продолжает усиливаться.

«Эта огромная механическая мощность, – продолжил он, – будет преобразована в дельту T [более низкая температура] в последних двух сосудах [устройства] путем их обратного соединения.«

Сложный процесс полностью понимают только «два-три десятка человек во всем мире, все эксперты в термоакустике», – добавил он.

Устройство может использоваться для кондиционирования воздуха в различных помещениях зданий, а также для охлаждения в процессах упаковки и производства, а также для морских проектов, таких как военные корабли и даже круизные лайнеры.

По данным Forbes, SoundEnergy начала коммерческие поставки THEAC-25 в сентябре 2018 года. Одним из первых заказчиков было правительство Дубая, купившее устройство для охлаждения установки, конденсирующей питьевую воду из воздуха.IKC Magenta, центр по уходу за детьми в Делдене, Нидерланды, установил систему для комфортного охлаждения.

В 2019 году SoundEnergy «набрала обороты» в секторе продуктов питания и напитков (например, пекарни и компании по обжарке кофе), компаниях, занимающихся тяжелыми металлами (литье под давлением и отвердители металлов), производстве водорода, автономных приложениях, таких как экспедиционные соединения. , и морские оффшорные приложения, сказал Accelerate Magazine генеральный директор SoundEnergy Герберт Беркхаут. «Эти удивительные сегменты рынка демонстрируют рост из года в год и имеют большую потребность в охлаждении.”

Отходы тепла и солнца

THEAC-25 может использовать отходящее тепло, например, от завода или производственной линии. Минимальная требуемая температура источника тепла составляет 160 ° C (320 ° F), а максимальная температура на входе составляет 300 ° C (572 ° F).

Минимальное требование к теплу означает, что обычные солнечные панели не работают в качестве источника тепла, но вакуумные солнечные коллекторы могут обеспечить необходимую температуру, согласно веб-сайту SoundEnergy.

Прототип устройства компании имеет ширину 4 на 4 м (13 на 13 футов), высоту около 80 см (31 дюйм) и вес 1100 кг (2425 фунтов).Он использует благородный газ аргон для создания акустической волны.

Прототип способен производить холодную мощность 25 кВт (7,1-TR) при температуре до -25 ° C (-13 ° F). Он делает все это очень тихо, производя лишь около 70 дБа шума.

Помимо охлаждения, THEAC-25 также может использоваться для нагрева и работать в качестве преобразователя тепла.

Устройство размером с прототип будет стоить около 50 000 долларов, но ожидается, что цены упадут, когда производство увеличится, и для бытовых пользователей будут доступны более низкие цены.Сама система масштабируется как в большую, так и в меньшую сторону. Компания создала демонстрационную установку, которая помещается в 20-футовый транспортный контейнер.

Первоначальная стоимость частично компенсируется тем фактом, что установка THEAC вообще не использует электричество. Однако для этого требуются три насоса для циркуляции теплоносителя и холодоносителя, контроллер и система сухого охлаждения. Согласно веб-сайту SoundEnergy, они в общей сложности потребляют около 2 кВт электроэнергии. Устройство требует только ежегодного осмотра.

По словам Хаманса, срок службы THEAC составляет 20-30 лет, и системы окупаются сами за себя. «Для коммерческого и промышленного использования мы говорим о сроке окупаемости от нескольких до пяти лет», – сказал он Forbes.

–
Эти удивительные сегменты рынка демонстрируют рост из года в год и имеют большую потребность в охлаждении »- Герберт Беркхаут, SoundEnergy

Как работают термоэлектрики? – Силовой практический

А теперь вернемся к термоэлектрике!

Строго говоря, термоэлектрические генераторы принимают разность температур и превращают ее в электрическую энергию. Удивительно, но эти материалы можно использовать и в обратном направлении! Если вы включите термоэлектрический генератор, вы создадите разницу температур. В небольших мини-холодильниках, рассчитанных всего на несколько напитков, используются термоэлектрические генераторы для эффективного охлаждения нескольких напитков.

Чтобы понять, как термоэлектрики генерируют электричество из-за разницы температур, мы должны немного узнать о том, как движутся электроны 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. Поэтому в PowerPot всегда должно быть что-то водянистое, иначе термоэлектрический генератор может перегреться.

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Проф.Эрнст Бауэр в лаборатории. Предоставлено: TU Wien.

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток из-за разницы температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам обеспечивать себя энергией по беспроводной сети.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это происходит из-за так называемого эффекта Зеебека: если между двумя концами такого материала существует разница температур, может возникнуть электрическое напряжение, и ток может протечь.Количество электроэнергии, которое может быть произведено при заданной разнице 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) теперь 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 датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли вырабатывать собственное электричество за счет разницы температур. Новый материал размещен в журнале Nature .

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен обладать сильным эффектом Зеебека и соответствовать двум важным требованиям, которые трудно согласовать», – говорит проф.Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела Венского технического университета. «С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой стороны, он должен как можно хуже переносить тепло. Это проблема, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Лаборатории термоэлектричества им. Христиана Доплера, которую Эрнст Бауэр основал в Венском техническом университете 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 расположены строго регулярным образом в так называемой гранецентрированной кубической решетке», – говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно и для других типов атомов.Таким образом, весь кристалл полностью нормальный ».

Однако, когда на кремний наносится тонкий слой материала, происходит нечто удивительное: структура радикально меняется. Хотя атомы по-прежнему образуют кубический узор, теперь они расположены в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится полностью случайным. «Два атома железа могут находиться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует правила, определяющего, где должен находиться следующий атом железа в кристалле», – объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и неправильности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле. «Электрический заряд движется 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.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются из-за неоднородностей кристаллической структуры.Следовательно, теплопроводность снижается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно вырабатываться из-за разницы температур – потому что, если разницы температур могут уравновеситься очень быстро и весь материал вскоре будет иметь одинаковую температуру повсюду, термоэлектрический эффект прекратится.

Электроэнергия для Интернета вещей

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но он имеет то преимущество, что он чрезвычайно компактен и легко адаптируется», – говорит Эрнст Бауэр.«Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных устройств». Спрос на такие маломасштабные генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств соединяются в сети, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно многообещающе для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамически реагировать на другую.

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

Как заморозить теплопроводность

Дополнительная информация: B. Hinterleitner et al.Термоэлектрические характеристики метастабильного тонкопленочного сплава Гейслера, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1751-9 Предоставлено Венский технологический университет

Ссылка : Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество (2019, 14 ноября) получено 12 апреля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-11-material-world-electric.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Тепловая энергия эффективно преобразуется в электричество – ScienceDaily

Благодаря процессу, известному как термоэлектронное преобразование, тепловая энергия – например, солнечный свет или тепло от сжигаемого ископаемого топлива – может быть преобразована в электричество с очень высокой эффективностью.Из-за его перспектив, исследователи более полувека безуспешно пытались разработать практический термоэмиссионный генератор. Эта удача может скоро измениться благодаря новой конструкции, получившей название термоэлектронного генератора, описанной в журнале журнала AIP Publishing по возобновляемой и устойчивой энергии (JRSE).

Термоэлектронные генераторы используют разницу температур между горячей и холодной металлической пластиной для создания электричества. «Электроны испаряются или выбрасываются светом от горячей пластины, а затем направляются к холодной пластине, где они конденсируются», – объяснил экспериментальный физик твердого тела Йохен Маннхарт из Института исследования твердого тела Макса Планка в Штутгарте, Германия, ведущий специалист. автор статьи JRSE.Результирующая разница зарядов между двумя пластинами дает напряжение, которое, в свою очередь, вызывает электрический ток, «без движущихся механических частей», – сказал он.

Предыдущие модели термоэмиссионных генераторов оказались неэффективными из-за так называемой «проблемы пространственного заряда», когда отрицательные заряды облака электронов, покидающих горячую пластину, отталкивают и другие электроны, покидая ее, эффективно убивая ток. Маннхарт вместе со своими бывшими учениками Стефаном Меиром и Сирилом Стефаносом и коллегой Теодором Гебаллом из Стэнфордского университета обошли эту проблему, используя электрическое поле, чтобы отвести облако заряда от горячей пластины, что позволило электронам лететь к холодной пластине.

«Практические термоэлектронные генераторы достигли эффективности около 10 процентов. Теоретические прогнозы для наших термоэлектронных генераторов достигают примерно 40 процентов, хотя это только теория», – отметил Маннхарт. «Мы были бы очень удивлены, если бы в течение следующих пяти лет на рынке появилось коммерческое приложение, но если компании, жаждущие энергии, осознают потенциал генераторов, разработка может быть быстрее».

История Источник:

Материалы предоставлены Американским институтом физики (AIP) . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Второй закон термодинамики

Второй закон

Второй закон термодинамики гласит, что передача тепла происходит самопроизвольно только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Цели обучения

Противопоставьте понятие необратимости между Первым и Вторым законами термодинамики

Основные выводы

Ключевые моменты

Многие термодинамические явления, разрешенные первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением, принимаемым спонтанными процессами.
Согласно второму закону термодинамики, для любого процесса невозможно иметь теплопередачу от более холодного к более горячему объекту в качестве единственного результата.

Ключевые термины

энтропия : мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специализированная для термодинамических систем.Обычно выражается как ΔU = Q − W.

Необратимость

Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами. Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни – например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние – полная необратимость – это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной.Точнее, необратимый процесс – это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.

Например, тепло включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его более горячим. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно.Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример – расширение потока газа, введенного в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит.

Односторонняя обработка в природе : Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему.(б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры. Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Второй закон термодинамики

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить – ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии.Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти многие способы эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы. Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Второй закон термодинамики (первое выражение): Передача тепла происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от холодильника к более горячему объекту.Позже мы выразим закон в других терминах, особенно в терминах энтропии.