Как зарядить телефон от холодильника: энергосберегающая разработка преобразовывает рассеянное тепло в электроэнергию — uzkinobiz.ru
Тепло, вырабатываемое разными бытовыми устройствами, можно отчасти конвертировать в электроэнергию с помощью материалов со особыми качествами (термоэлектриков). Пока что большая часть таковых «аккумов» коммерчески нерентабельно. Новенькая разработка употребляет избирательную кристаллизацию в водянистой термоячейке для роста эффективности преобразования термический энергии от маломощных источников.
Холодильники, бойлеры и лампочки повсевременно источают термическую энергию в место. Это «лишнее тепло» можно сберечь, к примеру, поновой превратив его в электроэнергию. Таковой принцип рекуперации употребляется на топливных электростанциях и остальных больших промышленных объектах. Но бытовые источники выделяют очень не достаточно тепла, чтоб с помощью доступных на сейчас технологий можно было отлично его употреблять.
Группа из Института науки и техники Хуачжун (华中科技大学) не так давно предложила улучшенный гальванический элемент на базе жидкостной термоэлектрической ячейки, который дозволяет преобразовывать низкопотенциальное тепло в электричество уже на уровне коммерческой окупаемости. Статья по результатам работы вышла в сентябре 2020 года в Science. Она продолжает серию публикаций по исследованиям жидкостных термоячеек для преобразования энергии. В будущем, может быть, подобные энергосберегающие устройства сумеют питать датчики и лампы и даже заряжать аккумуляторные батареи.
Безупречный цикл Карно.
Все устройства для преобразования тепла в остальные формы энергии (вначале — в механическую) работают в сути по одному и тому же принципу термический машинки. Для её работы нужны два термических резервуара с разной температурой — нагреватель и охлаждающее устройство (для простоты — «холодильник»). В термический контакт с ними поочерёдно помещается рабочее тело (газ, пар, жидкость-теплоноситель и т. д.). К примеру, в начале замкнутого цикла газ греется при контакте с нагревателем и, расширяясь, производит работу — толкает поршень либо вращает турбину, опосля чего же рабочее тело охлаждается на прохладном резервуаре и приходит в начальное состояние. В согласовании со вторым законом термодинамики для функционирования в замкнутом цикле нужна конкретно разница температур, другими словами горячее и прохладное тело. «Прохладным телом» быть может и окружающая среда, но без него недозволено просто так употреблять «лишнюю» энергию — побочный продукт работы бытового устройства.
Тот же 2-ой закон термодинамики устанавливает и базовое ограничение на КПД (η) таковой термический машинки. Он тем больше, чем больше разница температур, и его очень вероятное значение (на практике недостижимое) составляет ΔT/T, где ΔT — разница температур «нагревателя» и «холодильника», а T — температура жаркого тела (в кельвинах). Это значение на теоретическом уровне достигается в идеализированном термическом цикле Карно, и выстроить термическую машинку эффективнее его при данных температурах жаркого и прохладного тела нереально. Подтверждения этого утверждения можно отыскать в учебниках термодинамики. Конвертировать практически всю энергию в работу (η →1) можно лишь, если «холодильник» поддерживается при абсолютном нуле (T→0 °K, либо −273 °С), либо температура нагревателя становится весьма большенный.
Для бытовых устройств вроде телевизоров либо холодильников нагрев на 20—30 градусов выше комнатной температуры — уже неплохой перегрев, а вырабатывают они еще меньше тепла по сопоставлению с промышленными термическими машинками, потому вопросец рекуперации рассеиваемой «излишней» энергии от их упирается в очень маленький вероятный КПД (в этом примере, если телек нагреется с 20°С даже до 50°С, это составит 30°/330° K, другими словами меньше 10%), а «сэкономленное» тепло нередко съедается работой самого генератора. Это является ограничением в бессчетных проектах другой энергетики с внедрением гидротермального тепла, различия температур в различных слоях земли, на солнечной стороне и в тени и пр.
Преобразование «излишнего» тепла в электронную энергию — особенная задачка. Для низкопотенциального тепла лучше подступает прямое преобразование, без посредства механической энергии для вращения турбины. Возможность возникновения тока при неравномерном нагреве материала следует из общих принципов неравновесной термодинамики. Нарушение термодинамического равновесия, к примеру, появление различия температур либо электронных потенциалов, возмещается подходящим термодинамическим потоком — тепла либо заряженных частиц, возвращающим систему в состояние равновесия. Но с точки зрения термодинамики такие потоки полностью могут быть сопряжёнными: отклонение от равновесия в виде градиента температуры приводит к диффузии материала, либо к появлению электропотенциала, и напротив — это такие же процессы релаксации к равновесию, как и «обыденные» потоки.
Есть материалы, в которых такие перекрёстные эффекты выражены наиболее ярко. Так, преобразование тепла в электричество в неких материалах понятно практически 200 лет (в 1821 году открыт эффект Зеебека). При нагреве одной стороны такового материала (термоэлектрика) электроны в силу различных устройств передвигаются с жаркой на прохладную сторону, создавая разность потенциалов. Уже выпускаются устройства из термоэлектрических материалов размером со среднюю компьютерную микросхему. Их можно соединять в батарею и снимать маленькой неизменный ток, подключив их две стороны к электродам. Ведутся исследования их практического внедрения, к примеру, как такие материалы можно употреблять в качестве доп источника электро энергии для гибридных каров.
Для разработки устройства, которое бы улавливало термическую энергию с бытовых устройств принципиально подобрать материал с высочайшей электропроводностью, но низкой теплопроводимостью, который бы не прогревался весь, и таковым образом поддерживалась бы разница температур меж 2-мя сторонами эталона. Имеющиеся материалы дороги в производстве и идеальнее всего работают, когда разница температур жаркой и прохладной стороны составляет сотки градусов. Для генерации тока с помощью источников тепла низкого потенциала такое устройство не подступает.
Одно из направлений исследовательских работ дает заместо твёрдых материалов внедрение жидкостных термоэлементов, в которых носителем заряда являются ионы в растворе. Такие термоэлементы отлично конвертируют маленькую разницу температур в электричество, но они генерируют лишь весьма небольшой ток. Причина этого частично в том, что ионы передвигаются медлительнее, чем электроны. Не считая того, водянистая среда еще посильнее переносит тепло путём конвекции, понижая разницу температур меж 2-мя сторонами и снижая эффективность преобразования энергии.
Устройство и принцип деяния термоячейки с кристаллизацией TC-LTC. Jun Zhou et al., Science, eabd6749 (2020).
Макетом для предстоящей работы стал маленькой термоэлемент (термоячейка) размером с костяшку домино, с электродами сверху и снизу. Нижний электрод помещён на жаркой пластинке, а верхний электрод находится в контакте с охлаждающим устройством, и меж 2-мя электродами поддерживается разница температур до 50°С. «Рабочее тело» таковой ячейки — жидкость-электролит, состоящий из консистенции 2-ух солей — ферроцианида и феррицианида. По классической номенклатуре — это жёлтая и красноватая кровяная соль, либо железосинеродистый и железистосинеродистый калий с различными качествами, но значительно тут то, что в растворе электролита эти соединения дают два различных иона Fe(CN) с зарядом −4 и −3, которые могут перебегать друг в друга, обмениваясь электроном. Они, таковым образом, составляют окислительно-восстановительную пару, и это их свойство употребляется для переноса заряда.
Ионы ферроцианида рядом с жарким электродом самопроизвольно отдают электрон, переходя от состояния с зарядом −4, либо Fe(CN)6−4, к феррицианиду с зарядом −3, либо Fe(CN)6−3. Эти освобождённые электроны стают носителями тока и проходят через внешнюю цепь к прохладному электроду. Этот ток уже можно употреблять для запитывания маленьких устройств, в особенности если несколько таковых ячеек соединить в батарею. Когда электроны по наружной цепи добиваются прохладного электрода, они соединяются с ионами Fe(CN)6−3, которые путём диффузии распространяются в электролите снизу ввысь, от жаркого электрода к прохладному. При всем этом регенерируются ионы Fe(CN)6−4, которые диффундируют назад к жаркому электроду и повторяют цикл.
Это может смотреться как проект нескончаемого мотора, но никакой мистики здесь нет: ЭДС (электродвижущая сила) тут обеспечивается конкретно за счёт различия температур нижнего (жаркого) и верхнего (прохладного) электродов: на жарком электроде ион (−4) охотнее отдаёт электрон, а на прохладном ион (−3) охотнее его присоединяет, потому градиент температуры вызывает перекрёстный эффект в виде градиента электропотенциала. Разница температур тут работает как подзарядка такового «аккума». Такие термогальванические ячейки, либо LTC (liquid-state thermocell) издавна исследуются в качестве термоэлектриков, и вопросец стоит в повышении их эффективности до коммерчески окупаемого уровня. «Свойство» таковых частей нередко характеризуется по их КПД, но вычисляемому уже по отношению к очень вероятному коэффициенту для цикла Карно (а он для низкопотенциальных источников тепла и так невысок). В истинное время обычные значения такового относительного КПД составляют 1—2%. Считается, что о коммерческом применении можно гласить начиная с 5%.
В данной для нас начальной конструкции ячейки ионы (−4) и (−3) свободно перемешиваются и диффундируют по всему её месту: около электродов будет приблизительно равное количество ионов обоих видов (как на левой части рисунки для обыкновенной LTC). Но около жаркого электрода «работают» лишь ионы (−4), отдавая электрон, а ионы (−3) — мешают, так как часть этих электронов они сходу перехватывают, не отпуская их во внешнюю цепь. Аналогично на прохладном (верхнем) электроде «свои» ионы (−4) не необходимы: там ионы (−3) должны отобрать электрон, приходящий по наружной цепи. Не считая того, свободно двигаясь по ячейке, ионы при всем этом ещё и переносят тепло, выравнивая температуру.
Пространственное разделение различных ионов ферроцианида в термоячейке с помощью избирательной кристаллизации. Jun Zhou et al., Science, eabd6749 (2020).
Потому для роста эффективности устройства лучше как-то задержать ионы около «собственных» электродов ((−4) — на жарком, (−3) — на прохладном). Для этого создатели предложили оптимизированную систему ячейки с внедрением избирательной кристаллизации, которую можно индуцировать добавлением в раствор неких катионов (положительно заряженных ионов).
Экспериментальная батарейка на базе термоячейки TC-LTC.
Они добавили в раствор ферроцианида органическое соединение гуанидин. На прохладном (верхнем) электроде положительно заряженный ион гуанидина (Gm+) содействует кристаллизации прохладных ионов Fe(CN)6−4 с образованием крохотных кристалликов. При всем этом в кристаллическую фазу перебегают в большей степени ионы (−4), как наиболее активные при захвате положительного иона. Под действием силы тяжести кристаллы, связывающие ионы (−4), потом оседают на нижний (жаркий) электрод, где плавятся и ионы снова перебегают в жидкость. Другими словами это усовершенствование позволило провести частичную селекцию ионов, заставив часть ионов (−4) держаться поблизости «подходящего» жаркого электрода, просто оседая на дно в виде кристаллов — для этого и пригодилось расположить жаркий электрод снизу. Не считая того, такое уменьшение подвижности компонент системы содействовало и уменьшению теплопереноса за счёт конвекции. Гуанидин с хим точки зрения — это мощное основание, в данном случае — источник катионов Gm+. Создатели экспериментировали и с иными катионами, органическими и обыкновенными щёлочами типа NaOH, но мощный эффект избирательной кристаллизации и роста термоэлектрического потенциала получен конкретно от него.
Наибольшая достигнутая в опыте мощность такового термоэлемента оказалась в 5 раз больше, чем у начальной ячейки без частичной кристаллизации, а КПД (по отношению к безупречному значению цикла Карно) — 11%. Модуль размером с маленькую книгу, составленный из 20 термоэлементов, мог бы питать светодиодные фонари, вентиляторы и заряжать мобильники, а заявленное значение эффективности как бы переводит разработку в разряд коммерчески прибыльных. Но необходимо осознавать, что это наибольшие достигнутые значения, приобретенные при весьма особых экспериментальных критериях, в частности, при высочайшей разнице температур 50° и определённой перегрузке. В настоящих критериях такие характеристики, быстрее всего, недосягаемы, потому необходимость переноса технологии в индустрия пока под вопросцем.
Для вас быть может любопытно:
Добыча урана из морской воды даёт неисчерпаемый источник атомной энергии.