ЛЕГИРОВАННОЕ СИЛИКАТНОЕ СТЕКЛО И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ ИЗ НЕГО

ЛЕГИРОВАННОЕ СИЛИКАТНОЕ
СТЕКЛО И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ
ИЗ НЕГО
Институт энергетики и автоматики АН РУз
Термоэлектрические преобразователи энергии
из легированного силикатного стекла
Основным показателем эффективности
термоэлектрического материала
является безразмерная
термоэлектрическая добротность
ZT = S2Tσ/κ S – коэффициент термоэдс
(В/К), T – температура (К),
σ и κ – электро- и теплопроводность
(См/м и Вт/м·К соответственно)
При ZT > 2 применение термоэлектрических
преобразователей экономически оправдано
У имеющихся на рынке материалов ZT < 1.
Этапы развития
термоэлектрических материалов
Основное препятствие для широкого применения – высокая цена (> $12000/кВт) на ТЭП
из халькогенидов висмута, сурьмы и свинца (коммерчески доступные материалы)
Сырье для халькогенидов висмута, сурьмы и свинца имеет весьма ограниченные ресурсы,
дорогое и ядовитое (Te, особенно Tl)
Технология предлагаемых материалов и структур с ZT > 1 сложная и плохо воспроизводимая
Легированное силикатное стекло дешевое (≈ $1500/кВт), сырье доступное и безвредное, ZT ≈ 1
Структура термоэлектрического источника
электрической энергии
Солнечный
свет (тепло)
- 12(24) В
ТЭП
Инвертор
Техническое
обслуживание
Электроэнергия
~220 В, 50(60) Гц
Аккумулятор
•
•
•
Эффективность ZT и цена ТЭП зависят только от применяемого
термоэлектрического материала
Термоэлектрические гелиоустановки могут быть с концентратором или без него
Концентратор добавляет $500 – 1000/кВт к цене ТЭП
D. M. Rowe, Thermoelectric Waste Heat Recovery as a Renewable Energy Source. I. J. Innovations in Energy Systems and Power 1 (2006), # 1
Термоэлектрический генератор Komatsu для дизелей 19.02.2009 http://www.equipnet.ru/news/tech/tech_15706.html
J. Karni, SOLAR ENERGY: The thermoelectric Alternative. Nature Materials 10, July 2011
Kraemer, D. et al. High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration. Nature Materials 10, 532 (2011)
B. I. Ismail, Thermoelectric Power Generation Using Waste-Heat Energy as an Alternative Green Technology. Recent Patents on Electrical
Engineering 2009, 2, 27-39 27
V. R. Gandhewar, Fabrication of Solar Operated Heating and Cooling System Using Thermo-Electric Module. International Journal of
Engineering Trends and Technology (IJETT) – 4 Issue 4 - April 2013
M. K. Rawat, A Review on Developments of Thermoelectric Refrigeration and Air Conditioning Systems: A Novel Potential Green Refrigeration
and Air Conditioning Technology. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 3, Special Issue 3:
ICERTSD 2013, Feb 2013, pages 362-367
Б. С. Поздняков, Е. А. Коптелов, Термоэлектрическая энергетика. М., Атомиздат, 1974, 264 с.
Исходные материалы и стоимость легированного
силикатного стекла
В состав легированного силикатного стекла
входят распространенные, дешевые и
безвредные вещества – кварцевый песок,
свинцовый сурик, борная кислота, оксиды
алюминия, бария, магния, марганца, меди,
железа.
Лигатурой в настоящее время является
двуокись рутения, но есть возможность ее
замены оксидами не драгоценных
переходных металлов (железа, марганца,
меди,…), которая должна быть исследована
в дальнейшем.
Требуется исследовать также способы
создания легированного стекла с n-типом
проводимости, а также влияние легирования
на теплопроводность.
Варианты использования
термоэлектрических генераторов для
утилизации энергетических отходов
Дизель-генератор с термоэлектрическим
преобразователем (фирма Коматсу, Япония)
Газотурбинная установка с термоэлектрическим генератором (патент
РФ): 1 – компрессор, 2 – свободная турбина (для привода компрессора),
3 – камера сгорания, 4 – турбина силовая, 5 – электрогенератор,
6 – калорифер, 7 – термоэлектрические модули, 8 – тепловой насос.
Автомобильный термоэлектрический
преобразователь из легированного стекла
Термоэлектрический преобразователь работает на тепле выхлопных
газов двигателя автомобиля и заменяет традиционный
электромеханический генератор, давая экономию от 2 до 10 % топлива.
Элемент термоэлектрического генератора
От ДВС
• TH = 400 – 500 °С
• TC = 70 – 150 °С
• Pэл = 0,5 – 1 кВт
В атмосферу
Состояние исследований свойств легированного
силикатного стекла и разработки изделий из него
В настоящее время установлены физические механизмы
электропроводности и генерации термоэдс в легированном стекле,
влияние на эти свойства состава стекла и лигатуры, условий
легирования.
Подготовлена заявка на патент состава легированного силикатного
стекла как термоэлектрического материала
Разработаны эскизы конструкции автомобильных термоэлектрических
генератора и кондиционера.
Разрабатываются эскизы конструкции термоэлектрических генераторов
из легированного стекла мощностью 100 и 300 Вт для бытового
применения, работающих на жидком и твердом топливе.
Необходимы исследования для создания легированного силикатного
стекла с n-типом проводимости, что упрощает конструкцию
термоэлектрического преобразователя и повышает коэффициент
преобразования энергии.