Рекуперация тепла с использованием термоэлектрических материалов: перспективы и альтернативы

Что такое рекуперация

Под словом «рекуперация» понимают процесс возвращения энергии для обеспечения возможности ее дальнейшего использования по назначению. Без применения рекуперации потери всегда будут значительными, тогда как с применением рекуперации часть энергии потенциальных потерь можно использовать повторно. Таким образом КПД системы в целом будет повышен, а расход ресурса станет более экономным.

Простой пример рекуперации — рекуперация тепла в системе вентиляции помещения:

• холодный воздух с улицы входит в систему приточной вентиляции, где его необходимо подогреть;

• если подогревать этот воздух только электрическим нагревателем, то расход энергии получится излишним.

Можно поступить мудрее — подогревать холодный уличный воздух еще и через теплообменник теплом от воздуха, который движется через вытяжную вентиляцию из помещения на улицу. Таким образом реализуется рекуперация тепла системы отопления, которое без рекуперации в системе вентиляции просто выпускалось бы на улицу без какой-либо пользы.

Кроме вентиляции можно привести еще много примеров бытовых и промышленных систем, где тепло традиционно выбрасывается без всякой пользы: тепло сточных вод, тепло выхлопных дымовых газов, тепло работающих двигателей, станков, генераторов, компрессоров и т. д.

Помимо рекуперации тепловой энергии без преобразования ее в другие виды энергии, принципиально возможна и рекуперация ее с преобразованием в электрическую форму. Рассмотрим эту возможность более подробно.

Первый в мире термоэлектрический генератор для утилизации отработанного тепла промышленных предприятий — компания Alphabet Energy из Калифорниии, выпустила E1, первый промышленный термоэлектрический генератор, преобразующий отработанное тепло в электричество.

Термоэлектрические преобразователи

Напомним, что для преобразования тепловой энергии напрямую в электрическую энергию, используются термоэлектрические генераторы на базе термоэлектрических материалов, таких как: теллурид висмута, теллурид свинца, теллурид сурьмы, селенид висмута, селенид сурьмы, теллурид германия, моносульфид самария, селенид гадолиния, станнид магния, силицид магния.

Суть преобразования тепла в электричество зиждется в них на эффекте Зеебека , который заключается в том, что градиент температуры в месте соединения двух разнородных проводников приводит к движению носителей заряда между холодной и горячей областями, что и приводит к возникновению разности потенциалов.

На сегодняшний день нет доступного термоэлектрического материала, который бы позволил обеспечить эффективное прямое преобразование тепла в электричество, поскольку КПД распространенных термоэлектрических преобразователей находится в лучшем случае в районе 20%.

Тем не менее разработки и поиски новых материалов не стоят на месте. Необходимо добиться высокого КПД преобразования, высокой термо-ЭДС, при этом материал должен быть тугоплавким, а его теплопроводность — небольшой, кроме того материал не должен быть токсичным, как те же селен, свинец, теллур или висмут.

Да, плутониевые термоэлектрические генераторы питают космические аппараты в удаленных регионах Солнечной системы. Но что же на самой Земле?

Существующие альтернативы

Прежде всего в таких системах заинтересованы производители автомобилей. КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет 35%, а две трети энергии топлива, сжигаемого для нужд ДВС, теряется в форме тепла.

Куда уходит это тепло? Его впустую рассеивает система охлаждения. 100 кВт составляет мощность среднего двигателя, значит более 50 кВт уходит в атмосферу форме тепла. Не является ли это непростительной расточительностью?

Уже существуют автомобильные системы рекуперации тепла на базе парогенераторов, в которых тепло от системы утилизации выхлопных газов разогревает воду, и далее уже пар под давлением направляется на турбину электрогенератора, либо в систему быстрого прогрева двигателя, либо же мощность передается непосредственно на привод коленвала. В среднем 15%, но практически — до 30% топлива удается сэкономить благодаря такой системе. Некоторые производители автомобилей их устанавливают.

Перспективы ТЭГ для целей рекуперации

Однако ученые не теряют оптимизма. В Московском институте электронной техники (МИЭТ) уже работают над созданием новейших многослойных термоэлектрических генераторов на базе кремний-германиевых нанокомпозитных материалов.

По словам разработчиков, их модели многослойных высокотемпературных термоэлектрических генераторов будут работать с такой разностью температур, что самая холодная часть преобразователя сможет иметь температуру в 20 градусов, тогда как самая горячая — 900 градусов. Так что есть надежда, что и с помощью термоэлектрических материалов в скором будущем мы сможем получить более эффективные системы для рекуперации тепла.

Смотрите также:

Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов GMZ Energy

Термоэлектрический материал с упорядоченно расположенными нанотрубками

Как устроены и работают термоэлектрические холодильники, их достоинства и недостатки