Přímá přeměna tepla na elektřinu (část 1) |

V mnoha výzkumných laboratořích vědci a inženýři neustále vytvářejí nové a zlepšují stávající metody a zařízení pro výrobu elektrické energie. Mezi nimi jsou generátory založené na termoelektrických modulech, které zajišťují přímou přeměnu tepelné energie na elektrický proud.

Eugene Rudometov

(kliknutím obrázek zvětšíte)

úvod

Stabilní dodávka energie je důležitou podmínkou pro zavádění a úspěšné fungování moderních technologií a průmyslových procesů. V reakci na potřeby trhu řada výzkumných pracovníků a inženýrů ve svých laboratořích neustále vytváří nové a zdokonaluje stávající metody a zařízení pro výrobu elektrické energie. Jsou mezi nimi například elektrické generátory, jejichž základem jsou termoelektrické moduly zajišťující přeměnu tepla na elektřinu. Taková zařízení a komponenty přitahují pozornost konstruktérů díky svým jedinečným vlastnostem a potenciálu pro výrobu elektřiny.

V tomto článku se opět zamyslíme nad principem činnosti Peltierových modulů, možností jejich použití v chladničkách a v termoelektrických generátorech (termoelektrických generátorech), které přímo přeměňují tepelnou energii na energii elektrickou. V článku budou popsány výhody modulů, některé jejich a technické parametry termoelektrických generátorů a také konkrétní příklady použití Peltierových modulů v různých generátorech elektrického proudu. V tomto případě budeme analyzovat stacionární a vesmírné generátory, jejich součásti a konstrukční vlastnosti, různé zdroje tepla pro současnou výrobu, včetně radioaktivních, a také závislost účinnosti přeměny na různých podmínkách.

Princip činnosti termoelektrických modulů

Činnost termoelektrických modulů, které jsou tradičně a jak bude zřejmé z dalšího textu ne zcela správně nazývané Peltierovy moduly, je založena na řadě elektrických a tepelných efektů. Vyskytují se ve spojích některých nepodobných vodičů, stejně jako ve spojích polovodičů. Od objevení těchto účinků jsou s nimi spojována jména tak slavných vědců devatenáctého století, jako byli J. C. Peltier a T. I. Seebeck.

Jean Charles Peltier

Thomas Johann Seebeck

Peltierův jev objevil již v roce 1834 francouzský badatel Jean Charles Peltier (Jean-Charles Athanase Peltier, 1785-1845), tento efekt později podrobně studoval ruský fyzik německého původu, akademik Petrohradské akademie věd Emil Khristianovič Lenz (Heinrich Friedrich Emil Lenz; 1804-1865). Podstatou otevřeného efektu je přenos energie při průchodu elektrického proudu nepodobnými vodiči. To se projevuje jako uvolnění nebo absorpce tepla, když elektrický proud prochází kontaktem dvou rozdílných vodičů. Aby se tento termoelektrický efekt zesílil, jsou tyto vodiče obvykle nebo přesněji vždy spojeny do polí.

Ve dvacátém století byl Peltierův jev objeven i pro případ polovodičů, kde se jeho projev ukázal silnější než u tehdy používaných materiálů. V důsledku toho v současnosti termoelektrický modul již ve většině případů není polem bimetalických sloučenin, ale souborem speciálních polovodičových termoelektrických prvků.

A nyní něco málo k teorii vzniku tohoto termoelektrického jevu. Jak bylo zjištěno, při kontaktu dvou látek dochází k rozdílu kontaktního potenciálu, který vytváří vnitřní kontaktní pole. Pokud elektrický proud protéká oblastí připojení rozdílných vodičů, pak toto pole buď usnadní průchod proudu, nebo jej znemožní. Jde-li proud proti kontaktnímu poli, pak musí externí zdroj vynaložit další energii, která se uvolní v kontaktu, což povede k jeho zahřátí. Pokud proud teče ve směru kontaktního pole, pak může být podporován tímto polem, které vykonává práci pohybujících se nábojů. Energie potřebná k tomu se odebírá z látky. V důsledku toho klesá jeho vnitřní energie, což je doprovázeno ochlazováním v místě kontaktu.

Jak již bylo uvedeno, efekt se stává mnohem znatelnějším při kombinování prvků do polí, která tvoří moduly. Každý modul se tedy skládá ze sad termoelektrických párů spojených navzájem paralelně nebo sériově a umístěných mezi dvěma dnes již obvykle keramickými deskami. Když takovým termoelektrickým modulem prochází elektrický proud, jedna jeho strana se zahřívá a druhá ochlazuje. K tomu dochází, protože elektrický proud způsobuje přenos tepla z jedné strany modulu na druhou.

Takové prostředky se úspěšně používají v různých oblastech vědy a techniky, kde je potřeba kompaktních a vysoce spolehlivých chladicích zařízení.

O možnosti přeměny tepelné energie na energii elektrickou v další části tento článek.

(kliknutím obrázek zvětšíte)

>> část 2

Související odkazy

• Od 4004 do Nehalem (část 3)
• Od 4004 do Nehalem (část 4)
• Od 4004 do Nehalem (část 2)
• Budoucnost polovodičů (část 5)
• Budoucnost polovodičů (část 4)

Poslechněte si audio verzi

Vaše tělo neustále generuje energii: zatímco cvičíte, potíte se, pracujete na počítači, pláčete nad prací na počítači nebo filmem o věrném psovi, chodíte se psem nebo bez něj a dokonce spíte. Moderní věda tvrdí, že to vše lze udělat s dvojím přínosem, a nabízí řadu inovativních řešení. Pojďme zjistit, jak je svět připraven přejít na energii generovanou lidským tělem.

Teplo a zima

Naše těla si udržují stálou teplotu 36,6 stupňů – to je optimální ukazatel pro výskyt chemických reakcí v těle. Nejčastěji se teplota uvnitř člověka liší od okolní teploty a procesy tvorby a uvolňování tepla v těle jsou regulovány. Přibližně 75 % vyrobené tepelné energie se rozptýlí kůží bez přínosu pro člověka.

Elektřinu lze vyrábět z tepla pomocí termoelektrických generátorů. Taková zařízení využívají teplotní rozdíl mezi povrchem kůže a prostředím: nezáleží na tom, kde se nacházíte: v poušti nebo na severním pólu. Čím větší je absolutní teplotní rozdíl, tím více elektřiny se generuje – tento princip se nazývá Seebeckův jev: pokud jsou dva vodiče vyrobené z různých materiálů uzavřeny do elektrického obvodu a spoje vodičů jsou udržovány na různých teplotách, elektrický proud bude protékat tímto okruhem.

Výkon, kterým lidské tělo produkuje teplo v klidu, je asi 80-100 wattů – to je výkon asi 12 LED žárovek. Při sportování se zvyšuje tvorba tepla a pokračuje i během spánku, i když s menším výkonem – 60–80 wattů. Zatímco spíte, náramek termoelektrického generátoru na vašem zápěstí dokáže přeměnit až 4,5 % vaší tepelné energie na elektřinu a uložit dostatek pro nabití vašeho smartphonu. Kdyby měl každý z nás takové zařízení na ruce každý den 8 hodin, teplo generované osmi miliardami obyvatel Země by mohlo zajistit až 25 % světové spotřeby elektřiny.

Nikolaj Kiselev

přední specialista inženýrského centra Ruské ekonomické univerzity

Zařízení založená na termoelektrochemických článcích, jako každá baterie nebo kondenzátor, mají elektrolyt a elektrody. Je pravda, že účinnost takových zařízení ještě nepřesahuje několik procent.

Místo antiperspirantu – hydrogel a biopalivový prvek

Pot není jen slaná voda. V malém množství obsahuje laktát, metabolický produkt, který se při fyzické zátěži uvolňuje z kyseliny mléčné v kosterních svalech, poté se dostává do krve, orgánů a dalších svalů, kde se využívá k ukládání energie.

Pro využití laktátu k výrobě elektřiny vytvořili vědci biopalivové články založené na uhlíkových nanotrubičkách. Zařízení připomíná náplast s elektrodami, na jejichž povrchu jsou oxidační enzymy. Elektrochemické reakce mezi enzymy a laktátem v potu vedou ke vzniku elektrického proudu. Koncentrace laktátu v potu se při fyzické aktivitě zvyšuje, proto je lepší ukládat energii při tréninku. Výstupní výkon by měl být dostatečný pro napájení malých zařízení – sluchátek, elektronických hodinek, fitness náramků.

Během odpočinku může být lidské tělo také „elektrárnou“. Pomocí technologie oxidace laktátu vědci vytvořili malé destičky s hydrogelem a biopalivovým článkem. Destičky jsou připevněny ke konečkům prstů, kde se nachází nejvyšší koncentrace potních žláz v lidském těle. Rychlost pocení na prstu dosahuje několika mikrolitrů na centimetr čtvereční za minutu – 2-3krát rychleji než na jiných částech těla. Energie vyrobená během osmi hodin provozu zařízení vystačí na nabití náramkových hodinek.

Slzy neprolévají nadarmo

Slzy a slzy obsahují lysozym, enzym, který pomáhá ničit bakteriální buněčné stěny. V roce 1965, před objevem penicilinu, prozkoumal Alexander Fleming potenciál proteinu jako antibiotika. V roce 2018 se lysozym začal používat k výrobě elektřiny. K tomu byl vytvořen film z krystalů lysozymu a lisovaný mezi dvě skla. Účinek, kdy dochází k proudu v důsledku mechanického působení na pevné těleso, se nazývá piezoelektrický.

Lykozym je první protein používaný k výrobě piezoelektřiny. Pokud jde o účinnost, krystaly lysozymu nejsou horší než krystaly křemene, dobře známý piezoelektrický materiál. Ale na rozdíl od minerálu je lysozym biologický materiál s antimikrobiálními vlastnostmi a může být použit pro biomedicínská zařízení, jako jsou kardiostimulátory.

Slzy obsahují i ​​další elektricky nadějné látky: glukózu, kyselinu mléčnou a askorbovou. Výzkumné týmy z Ruska a dalších zemí použily tyto sloučeniny jako palivo pro chytré kontaktní čočky. Mají zabudované elektrické senzory, které měří hladinu cukru v těle. Pro napájení senzorů vytvořili vědci biopalivový článek, který přeměňuje askorbát a kyslík na energii.

Doktor chemických věd

Výkon elektrochemického článku je velmi nízký – na základě koncentrace askorbátu a rychlosti trhání může být až 22,1 mikrowattů. K napájení mikrosenzoru to ale stačí, zvláště pokud zvětšíte elektrody pomocí obou stran objektivu.

Elektrické srdce

Srdce je obklopeno elektromagnetickým polem. Každá kontrakce svalové tkáně vyvolá elektrický impuls, který je zaznamenán elektrokardiogramy. Pokud dojde k narušení rytmu a rychlosti srdečního tepu, lze to upravit implantací kardiostimulátoru, který reguluje impulsy. Takové zařízení se skládá z mikroobvodu a baterie, která musí být vyměněna každých 5–10 let.

Srdce samo se může stát nekonečným zdrojem energie. Do srdce je implantován čip vyrobený z nanorozměrných vrstev titaničitanu zirkoničitého olovnatého, piezoelektrického materiálu. Při každém úderu se vyrábí elektřina a ukládá se do malé baterie. Pokusy na velkých zvířatech ukázaly, že tělo čip neodmítne.

“GES” prostřednictvím krevního řečiště

Krev nepřetržitě proudí tělem a prochází kapilárami, tepnami a žilami jako řeka se svými peřejemi a přítoky. Pokud lidé používají přehrady k přeměně energie padající vody na elektřinu, tak proč neinstalovat do plavidel miniaturní „vodní elektrárnu“?

Model takové „přehrady“ byl vyvinut z vláken na bázi uhlíkových nanotrubiček. V experimentech byl připojen k elektrodám a ponořen do roztoku, který simuloval průtok krve. Když se kapalina pohybovala, vlákna pomáhala vyrábět elektřinu, podobně jako v říčních vodních elektrárnách.

Energie, kterou slyšíte

Vnitřní ucho savců obsahuje přirozenou baterii, hlemýžď, kde se generují nepatrná elektrická napětí 80–100 milivoltů. Jedná se o endokochleární potenciál, který zajišťuje fungování vláskových buněk vnímajících zvuky. Dále se mechanická energie zvukových vln přemění na elektrické impulsy vysílané do sluchového nervu mozku.

Čip o velikosti nehtu byl vyvinut pro sběr elektrické energie. Byl testován na vnitřním uchu morčete: výkon čipu byl asi jeden nanowatt (jedna miliardtina wattu) – to je milionkrát méně, než je potřeba k napájení elektronického implantátu, ale pracuje se na zvýšení síla pokračuje.

Ještě se nenaučili, jak používat lidská těla k pohonu měst. Nejprve se podle vědců objeví implantáty a kardiostimulátory s vlastním pohonem: jejich energetické nároky jsou nízké. Klinické zkoušky a schválení testování na živých lidech bude trvat roky. Energeticky náročná zařízení, která uchovávají elektřinu z potu nebo tepla, zůstanou dlouho příliš drahá na to, aby si získala masovou oblibu. Než přijde nová éra flexibilní elektroniky, budou lidé získávat více než 60 % elektřiny z fosilních paliv a konvenční baterie ji pomohou ukládat.