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.