Термоэлектрика и её перспективы

Posted on 11.04.2012 by rabftim Физики из Шанхайского Института Керамики и Калифорнийского Технологического Института установили, что хорошая эффективность селено-медных термоэлектрических генераторов объясняется характерным для жидкости поведением атомов меди в кристаллической решетке селена. Работа опубликована в журнале Nature Materials, краткий пересказ приводит сайт PhysOrg.

Сплавляя в тигле медь и селен, а затем медленно остужая полученный расплав, физики давали селену образовать кристаллическую решетку. Полученное вещество оказалось термоэлектриком, то есть преобразовывало тепловую энергию в электрическую. Если пластину такого вещества поместить на границу между горячим и холодным телом, электроны потекут сквозь пластину, генерируя электрический ток.

Эффективность термоэлектриков зависит от их теплопроводности. При высокой теплопроводности градиент температуры в веществе быстро исчезнет, а вместе с ним прекратится и электрический ток. Чем хуже проводит тепло термоэлектрик, тем эффективнее он генерирует электричество.

Хороший генератор должен обладать, казалось бы, противоположными свойствами. С одной стороны, он должен хорошо проводить генерируемое электричество, и, следовательно, обладать кристаллической решеткой, обеспечивающей транспорт электронов. С другой стороны, кристаллические вещества, в отличие от жидких (аморфных), хорошо проводят тепло, что снижает эффективность термоэлектрика.

Физики установили, что в селено-медном сплаве сочетаются два состояния вещества — жидкое и твердое. Селен образует кристаллическую решетку, обеспечивая проведение генерируемого тока, а медь заполняет в ней полости, при этом совершенно хаотично. Атомы меди могут двигаться внутри кристаллической решетки селена словно в жидкости. Жидкое состояние меди в сплаве не дает распространяться поперечным тепловым колебаниям, что сильно снижает теплопроводность. Поэтому сплав обладает столь необычной эффективностью.

Термоэлектрики уже применяются в космических технологиях для генерации электричества. Потенциальная сфера их применения очень широка. Впервые сплав меди и селена использовало NASA около 40 лет назад, но тогда никто не мог объяснить его высокой эффективности. Знание принципов, лежащих в основе работы должно помочь ученым получить гораздо более эффективные их разновидности.

Из истории вопроса:

Первое подобие термоэлектрической цепи – батарея, было создано усилиями физиков середины XIX века Фурье и Эрстедом. В качестве материалов, составляющих цепь термоэлемента, использовались висмут и сурьма. Холодные спаи (висмут) погружались в лед, а горячиенагревались горелками.

Следующим этапом в развитии термоэлектричества явилось создание ряда термоэлектрических батарей – источников электроэнергии для некоторых производственных процессов и даже для осветительных целей. Батарея, разработанная Кламоном в 1874г., служила вполне надежным источником электроэнергии и применялась в типографиях и мастерских гелиогравюры.

Другим распространенным в то время типом термобатарей были батареи Ноэ.

Однако низкая эффективность устройств этого типа в условиях бурно развивающейся электроэнергетики, естественно, лишала термоэнергетику каких-либо шансов найти себе место в науке и технике начала XX века.

Подлинным возрождением термоэлектричества и термоэнергетики можно считать начало 30-х годов XX столетия, а его инициатором – академика А. И. Иоффе. Он выдвинул идею о том, что с помощью полупроводников можно сделать реальный шаг на пути превращения тепловой (в том числе солнечной) энергии в электрическую. Это привело к созданию уже в 1940 году фотоэлемента для преобразования световой энергии в электрическую.

Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А. И. Иоффе. Это был, ныне широко известный, «партизанский котелок» – термопреобразователь на основе термоэлементов из SbZn и константана. Разность температур спаев в 250-300оС обеспечивалась огнем костра при стабилизации температуры холодных спаев кипящей водой. Такое устройство, несмотря на сравнительно невысокий КПД (1,5-2,0 %), с успехом обеспечивало электропитанием ряд портативных партизанских радиостанций.

В настоящее время, особенно широкие перспективы, имеет сочетание термоэлектрических преобразователей с компактными, мощными и относительно дешевыми источниками тепла.

Строительство ,ремонт и дизайн

This entry was posted in Без рубрики and tagged Термоэлектрика и её перспективы. Bookmark the permalink. ← Даже китайские технологии строительства не помогут снизить цены на жилье в России Проблемы испорченной мебели → Нет комментариев

Крепление труб