Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Для понимания законов электродинамики, электрики и физики, нужно знать, что такое элемент, модуль Пельтье как генератор электрической энергии. О понятии, технических характеристиках, принципе работы и правильном применении модуля для генератора рассказано далее.

Что такое элемент и термогенератор Пельтье

Элементом Пельтье называется термоэлектрический тип преобразователя, который базируется на температурной разности при протекании электричества. Суть открытого в 1834 г. эффекта в том, что тепло выделяется или поглощается в участке контактирования разнородных проводников, подключенных к электричеству.

Что собой представляет элемент Пельтье

К сведению! По этой теории электрический ток осуществляет перенос электронов между металлами. Если увеличить кинетическую энергию, то она превратится в тепловую.

Устройство, преобразующее кинетическую энергию в тепловую

Элемент Пельтье в качестве генератора энергии

Термоэлектрический модуль Pelty может выступать как электрогенератор Пельтье при принудительном нагревании одной из его частей.

Чем больше показатель температурной разности, тем выше показатель тока источника.

Предельный температурный показатель ограничен, но может быть выше, чем точка припойного плавления, используемая в конструкции модуля. Несоблюдение данного требования приводит к тому, что элемент Пельтье ломается.

Для термогенераторного производства применяют специальный тип модулей, где есть тугоплавкий припой. Их можно подогревать до температурного показателя 300 °С. По сравнению с обычным генератором эта температура в два раза больше. Потому коэффициент полезного действия в подобных устройствах невысок, их используют лишь тогда, когда невозможно применить результативный электроисточник.

Генератор электроэнергии популярен среди путешественников

Обратите внимание! Генераторы с мощностью 10 В популярны у туристов, путешествующих на дальние расстояния. Крупные, мощные постоянные устройства, которые работают от высокого температурного топлива, применяют, чтобы питать газораспределительные узлы, метеорологическую аппаратуру.

Технические характеристики элемента Пельтье

Термические электрические модули обладают следующими характеристиками:

• производительность холода;
• максимальный температурный перепад;
• допустимая сила тока, которая нужна, чтобы обеспечить максимальный температурный перепад;
• предельное напряжение в киловаттах, которое необходимо току для достижения пиковой разницы;
• внутренний показатель сопротивления модуля resestance, указываемый в Омах;
• коэффициент эффективности или КПД устройства, которое показывает отношения охлаждения к мощности.

Усредненные технические характеристики

Обратите внимание! Подобные характеристики распространяются и на миниатюрные установки, малые электрогенераторы, холодильные системы охлаждения персональных компьютеров, охлаждающие/нагревающие водные кулеры и осушители воздуха.

Принцип работы элемента Пельтье

Любой термоэлектрический модуль работает на разности электронной энергии, то есть один проводник — область, где есть высокая проводимость, а второй — место, где низкая проводимость. Если соединить такие источники вместе и пропустить через них заряд, то электрону для прохождения низкоэнергетической области в высокую, нужно подкопить электроэнергии. Та область, где осуществляется энергопоглощение электроном, охлаждается.

Принцип работы

Важно! При изменении полярности подключения элемента вместо охлаждения будет происходить нагревание. Данный эффект наблюдается у любого элемента, но конкретные следы элемента Пельтье будут видны на полупроводниках.

Как правильно применять модуль Пельтье для генератора

Применять модуль Пельтье можно, как термоэлектрогенератор Teksan Colorful, для охлаждения процессора, комнаты, воды. Используется он нередко как кислородный осушитель. Подключить модуль несложно. На провода нужно осуществить подачу постоянного напряжения, значение которого есть на элементе. Красный проводник следует подключить к полюсу, а черный — к нулевому проводнику. Таким образом прибор начнет работу на охлаждение. Если поменять полярность оборудования, то поменяется местами охлаждаемая и нагреваемая поверхности.

Правильное применение модуля для генератора

Обратите внимание! Проверить, функционирует элемент или нет, несложно. До него нужно прикоснуться к нему с разных сторон. Работающий аппарат будет иметь одну горячую, а вторую — холодную область.

Таким образом, элементом Пельтье называется термоэлектрический преобразователь, который работает на температурной разности при протекании электрической энергии. Термогенератор, построенный на технических характеристиках и принципе его функционирования, имеет широкое применение на производстве и в жизни. Использовать его можно по приведенной выше инструкции.

Элемент Пельтье как электрогенератор

Сначала материал про термогенератор на основе одного модуля. Во второй части более мощный источник электроэнергии, использованные 12 Пельтье.

Peter Dmitriev. В первом видео показано, как мастер создал довольно мощный генератор электроэнергии на основе 12 элементов пельтье.

В чём состоит идея? Приезжаем на дачу, затапливаем печь. И у нас появляется освещение в доме от тепла и зарядка аккумуляторов. В конструкции холодильник. Это радиатор. Размер 24 x 25 сантиметров. Нагревательный элемент – труба 40 x 20. Она немного неплотно подходит к элементом пельтье. Но использование пасты решает эту проблему. Элемент будет прижиматься квадратной трубой 15 x 15.На радиаторе размещается 12 модулей пельтье. Сверху будет устанавливаться профильная труба.

Всё готово к сборке. Болты. Пружинки. Нагревательные элементы. Холодильник. Термоэлектрические модули.Можно начинать процесс сборки.

В ходе работы мастер сделал небольшие изменения. Радиатор поставил на снег в тазик. Закрыл, чтобы не попадал горячий воздух. Промежуток между трубами тоже закрыл.

Итоги эксперимента, по мнению мастера, удался. Получено 12 вольт.

Как сделать термоэлектрический двигатель

Предлагаем сделать небольшой эксперимент. Сегодня понадобится элемент пельтье 12706. Подходит под радиатор. Хорошее проверенное термоклей. Двигатели используются в квадрокоптерах. Скорость измеряется в тысячах оборотов в минуту. Батарейка на полтора вольта.

Готовим радиатор. Закрепляем мотор.

Применение элементов Пельтье

Три варианта использования.
1. Охлаждение. Между радиатором и пластиной термопаста. Радиатор опускаем в воду. Красный провод на плюс аккумулятора 12 вольт. Чёрный – минус. Вода застывает.

2. Нагрев. Поменяем местами провода. Вода начала кипеть.

3. Выработка электричества. Для нагрева используем сухое горючее.

О том, что сделать из элементов Пельтье.

Термогенератор элемент пельтье SP1848-27145 120C 40*40мм

Описание

Термоэлектрический генератор SP1848-27145. Термоэлектрический генератор SP1848-27145 — модуль на эффекте Зеебека для генерации электричества, максимальная мощность 3.4W, максимальное напряжение 4.8V, максимальный ток 669mA, термогенератор электрической энергии Пельтье — Зеебека 9448A. 

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель). Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Термогенераторный модуль на эффекте Зеебека.

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Термоэлемент Пельтье – Зеебека, как термоэлектрический генератор. Для получения электричества необходимо одну сторону термоэлемента охладить, а другую нагреть. При разнице температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента, возникает разница электрических потенциалов – появляется + и -. Чем больше разница этих температур, тем выше мощность термоэлектрического генератора. Для увеличения выходного напряжения от термоэлемента его можно подключить к повышающему преобразователю напряжения. Термоэлемент Пельтье – Зеебека, как холодильник – нагреватель.

Что бы получить тепло или холод, к выводам термоэлемента необходимо подключить источник электроэнергии: батарейки — элементы питания — аккумуляторы, ветрогенератор — солнечная батарея, механическое зарядное устройство динамо-машина, сетевой блок питания. При протекании электрического тока через термоэлемент, одна сторона будет нагреваться, другая сторона охладиться вплоть до минусовой температуры. Чем больше ток, тем выше разница этих температур, конечно в определенных пределах. При смене полярности питающего напряжения, так же меняются местами горячая и холодная сторона.

Термоэлектрический генератор SP1848-27145 представляет собой керамическую плоскую пластину с размерами 40 на 40 и толщиной 4 мм. Между керамическими пластинами термогенератора расположены последовательно соединенные полупроводниковые элементы n и p типов. Корпус модуля термогенератора герметичен, поверхность керамики отшлифована, тем не менее, применение теплопроводной пасты обязательно. К выводам термоэлемента припаяны черный (-) и красный (+) провода.

Для улучшенного теплообмена на горячей, нагреваемой стороне термоэлектрического генератора SP1848-27145 можно приклеить двухсторонний скотч 3M 9448A. При сборке генератора электроэнергии, модуль SP1848-27145 необходимо расположить таким образом, что бы его сторона покрытая двухсторонним скотчем 3M 9448A нагревалась, а белая, холодная сторона остужалась.

Так же при изготовлении в домашних условиях термоэлектрического генератора SP1848, необходимо нанести теплопроводную пасту на белую, холодную сторону. Модуль термоэлектрического генератора SP1848-27145 используется для сборки своими руками в домашних условиях как стационарных, так и мобильных генераторов электрической энергии. Мобильный элемент для генерации электричества SP1848-27145, позволяет зарядить батарею мобильного устройства в экстренных ситуациях, когда нет доступа к розетке электрической сети.

Максимальное напряжение: DC 4.8V 

Максимальный ток: 669mA

Максимальная производительность: 3.4W

Вид модуля: однокаскадный 

Рабочая температура: 150?

Размеры модуля: 40 x 40 х 4мм

Несколько идей из «элемента Пельтье». Получение электричества из огня, а также «холода» из электричества. | Будни Технаря

Всем привет! Многие знакомы с так называемым «элементом Пельтье», а для тех кто незнаком, в двух словах расскажу.

Данный элемент представляет собой небольшую пластину, при подачи на неё электрического тока одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается .

Модуль рассчитан на напряжение 12 В, максимально потребляемый ток 6.5 А

Что-бы получить температуру около 0 градусов на «холодной стороне» необходимо хорошо охладить «горячую сторону» на которой выделяется тепло. Мощность элемента в районе 60 ватт по этому нужен достаточно массивный радиатор с кулер.

Что же можно из него сделать?

Ну во-первых, «дорожный холодильник»

Достаточно собрать коробку из теплоизоляционного материала, к примеру экструзированного пенопласта и обклеить внутри фольгой. В монтировать в крышку «элемент Пельтье» с прикреплёнными к нему радиаторами. С горячей стороны нужен радиатор больше чем с холодной и с принудительным охлаждением в виде кулера. Радиаторы можно закрепить стяжками чтобы получился «бутерброд». Холодный воздух будет опускаться вниз и охлаждать продукты. Вот и все, можно подключатся к бортовой сети автомобиля и ехать в путешествие.

Холодильник пользователя с drive2 https://www.drive2. ru/l/3847014/

Холодильник пользователя с drive2 https://www.drive2.ru/l/3847014/

Помимо холодильника можно сделать экстремальное охлаждение для любителей разгона процессоров ПК.

Тут также нужен хороший радиатор с принудительным охлаждением, но главная проблема это возможный образующийся конденсат который может загубить электронику.

Вот пример заводского исполнения…

Элемент Пельтье умеет не только охлаждать под действием электричества, но выступать в роли генератора электрического тока.

Достаточно охлаждать одну из сторон, а противоположную нагревать. Элемент способен отдать до 600 мА.

Исходя из этого можно попытаться сделать походную печку с возможностью зарядки так как тока в 600мА достаточно для зарядки гаджетов.

Устанавливаем элемент к стенке печки с другой стороны вешаем радиатор. Самое главное это не перегреть устройство так как внутри находится полупроводники спаянные между собой.

Фото с сайта https://cxem.net/greentech/greentech37. php

Фото с сайта https://cxem.net/greentech/greentech37.php

А вот заводской вариант за 150$

Вот ссылка на простой элемент Пельтье с алиэкспресс.

Подписывайтесь на канал, ставьте лайки и пишите комментарии!

Alex_EXE » Элемент пельтье, режим электрогенератора

В прошлых статьях было рассказано об элементах пельтье и как они себя ведут в режиме теплового насоса. В этой, заключительной статье, расскажу вам о том, что эти модули не только способны прилично кушая электричество обеспечивать разность температур на своих сторонах, но и сами способны вырабатывать электроэнергию, если одну сторону элемента принудительно охлаждать, а вторую нагревать.

Без нагрузки, перепад температур ~100°С

В этих испытаниях добровольцем выступил небольшой модуль TB109-0.6-0.8, с площадью поверхности всего 3,12кв.см., напомню вам его ро.., вид и характеристики:

TB109-0. 6-0.8 Imax = 2,1А Umax = 13,4В dTmax = 68К Qmax = 16,9Вт R = 5Ом t рабочая -50 +80 °C t max = 130°C t плавления припоя = 139°C Размеры 26х12мм

Для испытаний пельтье в режиме электрогенератора был собран небольшой стенд, который содержит следующие приборы: нагреватель, вольтметр, амперметр и нагрузку, так же понадобился радиатор и кусочек льда в водонепропускаемом пакете, ну и конечно сам подопытный TB109-0.6-0.8. В качестве нагревателя выступил 20Вт резистор на 5,6Ом, который был разогрет примерно до 80-90 градусов. Для улучшения теплового контакта элемента пельтье с нагревателем была применена намакондовская термопроводящая прокладка, вытащенная из какого то отмучавшегося компьютерного блока питания.

Собранный испытательный стенд

Приступим к тестам.

Первый тест был проведён с 1Омной нагрузкой, подключенной к выводам пельтье, в качестве охладителя был использован радиатор комнатной температуры.

Нагрузка 1Ом, перепад температур ~60°С

С модуля удалось получить 0,117В при токе 119,5мА или 14мВт, при разности температур примерно в 60 градусов.

Дальше было решено охлаждать подопытного более кардинальными мерами, для этого в дело пошли кусочки льда из морозильника.

Нагрузка 1Ом, перепад температур ~100°С

При разности температур в 100 градусов модуль выдал результаты получше, а именно: 0,21В 0,22А или 46мВт.

Следующий тест был проведен с нагрузкой в 20Ом.

Нагрузка 20Ом, перепад температур ~100°С

Модуль выдал 1,31В при токе 66мА или 86мВт.

На холостом ходу, первое фото, модуль выдал 2,19В.

Вывод – модули пельтье можно с успехом использовать для генерации электричества. Если модуль в 109 термопар, площадью 3,12кв.см. при разности температур в 100 градусов смог выдать 86мВт при полутора вольтах и более 2-х В на холостом ходу, то модуль с гораздо большей площадью и разностью температур хватит на питания небольшого светодиодного осветителя или радиоприёмника, или же для зарядки аккумуляторов. Но, к сожалению, такое их применение сильно ограничивается их ценой.

Примеры применения: различные ТЭГи, от портативных туристических, которые можно прикрепить к котелку у костра и слушать радио, до РИТЭГов, которые применяются для питания удалённых труднодоступных автономных объектов (например – маяки) или на космических спутниках.

Благодарность за предоставленные модули фирме – Радиоэлектроника.

Модуль Пельтье. Генератор термоэлектрический

Автор Alexey На чтение 5 мин. Просмотров 382 Опубликовано 09.12.2016 Обновлено 14.12.2016

Современный мир предлагает устройства, с помощью которых можно зарядить фонарик, мобильный телефон или другие гаджеты если поблизости нет розетки. Но внешние аккумуляторы тоже имеют лимит энергии. И тут на выручку придет термоэлектрический генератор, который в любой нестандартной ситуации поможет и согреться, и приготовить пищу, и зарядить телефон, и сможет стать источником света.

Такой прибор можно, как и приобрести, так и сделать своими руками. Промышленные генераторы значительно больших размеров и соответственно могут дать больше энергии. Приборы, сделанные самостоятельно, не отличаются большой силой, но будут спасителями вдали от цивилизации.

Самодельный генератор в действии

Как работает?

Генератор работает на основе модуля Пельтье. Одна часть этого модуля постоянно нагревается, а другая — охлаждается. Если нагретую часть охлаждать, а охлажденную нагревать, то за счет перепадов температур можно генерировать электрический ток, которого будет достаточно для работы небольшого прибора.

Почему же у сторон модуля разная температура? Этот прибор сделан из пластин двух разных металлов. Один из них имеет много электронов на своей поверхности, а другой — очень мало. С первой пластины негативно заряженный частицы пытаются перейти на другую. Но поскольку два элемента соединены проводником, электроны не могут преодолеть этот барьер и скапливаются на поверхности первой пластины нагревая ее.

Если эту часть охладить, то частицы смогу перейти на другую пластину, занимая на ней пустые места. При значительном скоплении электронов на этой стороне, они постепенно начинают перебираться на первую и так далее. Таким образом, получится поток электронов. А как известно, электрический ток — это и есть движение электронов в определенном направлении.

Как же сделать термоэлектрический генератор самостоятельно?

Конечно же, дома данное устройство использовать никто не будет. Поэтому если вы идете в длительный поход, то стоит запастись всем необходимым для того чтобы сделать генератор. А понадобятся:

• элемент Пельтье;
• преобразователь;
• нагреватель;
• холодильник;
• провода.

Элемент Пельтье покупаем или делаем своими руками. Желательно выбирать тот, который выдерживает высокие температуры приблизительно до 3500С. Поскольку даже небольшое превышение температурного режима может привести к непригодности прибора.

Модуль Пельтье

Наличие преобразователя необходимо для получения постоянного тока, поскольку генератор может продуцировать ток со скачками напряжения. Если планируете заряжать гаджеты, выбирайте с USB-входом.
Нагреватель и холодильник необходимы для получения большего количества энергии. Это могут быть обычные консервные банки, но нужно учитывать их размеры и размеры элемента Пельтье. А без наличия проводов конструкция просто не будет работать.

Итак начинаем собирать генератор термоэлектрический. Берем две консервные банки или кастрюли разной величины. Если это кастрюли, то стоит отпилить заранее ручки. Донышки емкостей нужно хорошо отполировать. Вставляем меньшую в большую, между ними помещаем термоэлектрический генераторный модуль. Его можно приклеить термопастой для надежности.

Термоэлектрический генератор из жестяных банок

К модулю обязательно присоединить провода и преобразователь. Не нужно забывать об изоляции. В меньшую емкость наливаем холодную воду (зимой можно использовать снег или лед) и всю конструкцию помещаем на огонь. И все. Через некоторое время получаем такую необходимую электрическую энергию. Не забываем добавлять холодную воду, чтобы разница температур была больше. При этом и энергии будет больше.

Термоэлектрический генератор своими руками сделать несложно, но использовать такое устройство нужно с осторожность и придерживаясь правилам безопасности. Если купить готовый прибор, то он будет намного надежнее, им легче пользоваться. Пригодность генератора, как и срок хранения неограничен.

Модуль Пельтье своими руками.

Как уже упоминалось выше главный элемент можно сделать самостоятельно. Для этого будут необходимы:

Проводники соединяются между собой с помощью паяльника и припоя. Далее, конструкция размещается между двумя керамическими пластинами и прочно фиксируется. Обязательно нужно помнить о двух проводах, которые будут в дальнейшем крепиться к преобразователю электрического тока.
Поскольку данный модуль имеет еще и сторону, которая охлаждается, то его можно применять и для холодильных установок. Используя этот элемент, изготавливают небольшие автомобильные холодильники для путешествий, автомобильные охладители, кондиционеры.

Данный принцип применяется и в охладительных системах компьютерной техники (охлаждение чипов видеокарт и микропроцессоров).В некоторых кулерах питьевой воды обе стороны модуля задействованы, поскольку можно получить на выходе как охлажденную, так и хорошо нагретую жидкость.

Принципы данного модуля используются в приборах ночного виденья, в новейших цифровых фотоаппаратах, для стабилизации частоты излучения в лазерах, в телескопах с инфракрасными детекторами, которые нужно быстро и эффективно охлаждать. То есть этот элемент нашел свое применение не только в так называемых бытовых условиях, но и для военных и научных приспособлений и установок.

Плюсы и минусы термоэлектрического модуля.

Казалось бы, это незаменимый элемент, но и здесь есть свои нюансы. Прибор имеет достоинства и недостатки.
К плюсам можно отнести:

• небольшие размеры;
• возможность работы как нагревательным, так и охлаждающим элементом;
• отсутствие частей, которые постепенно изнашиваются и требуют замены;
• бесшумность работы.

Из минусов можно отметить:

• высокую себестоимость;
• необходимость поддерживать перепад температуры;
• большое потребление энергии;
• низкий уровень КПД.

Но несмотря на все недостатки модуль целесообразно использовать в тех случаях, когда большая энергоемкость не имеет особого значения.
Сомнений не остается если правильно выполнить сборку термоэлектрического генератора, то можно пережить любые катаклизмы в результате которых будет отключена электроэнергия.

Присоединив небольшой вентилятор, можно немного охладиться в жаркое время года. Горячая сторона поможет нагреться, приготовить пищу, вскипятить воду. А вырабатываемое электричество подзарядит средства связи (мобильные телефоны, радиоприемники или рации).

Делаем бесплатное электричество — простой самодельный генератор

Многих электриков новичков интересует один очень популярный вопрос – как сделать электричество бесплатным и в то же время автономным. Очень часто, к примеру, при выезде на природу, катастрофически не хватает розетки для подзарядки телефона либо включения светильника. В этом случае Вам поможет самодельный термоэлектрический модуль, собранный на базе элемента Пельтье. С помощью такого устройства можно генерировать ток, напряжением до 5 Вольт, чего вполне хватит для зарядки девайса и подключения лампы. Далее мы расскажем, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, предоставив простой мастер-класс в картинках и с видео примером!

Кратко о принципе действия

Чтобы в дальнейшем Вы понимали, для чего нужны те или иные запчасти при сборке самодельного термоэлектрического генератора, сначала поговорим об устройстве элемента Пельтье и о том, как он работает. Данный модуль состоит из последовательно соединенных термопар, находящихся между керамических пластин, как показано на картинке ниже.

Когда через такую цепь проходит электрический ток, происходит так называемый эффект Пельтье — одна сторона модуля нагревается, а вторая – охлаждается. Для чего это нам нужно? Все очень просто, если действовать в обратном порядке: одну сторону пластины нагреть, а второю охладить, соответственно можно сгенерировать электроэнергию небольшого напряжения и силы тока. Надеемся, что на данном этапе все понятно, поэтому переходим к мастер-классам, которые наглядно покажут из чего и как сделать термоэлектрический генератор своими руками.

Мастер-класс по сборке

Итак, мы нашли в интернете очень подробную и в то же время простую инструкцию по сборке самодельного генератора электроэнергии на базе печи и элемента Пельтье. Для начала Вам необходимо подготовить следующие материалы:

• Непосредственно сам элемент Пельтье с параметрами: максимальный ток 10 А, напряжение 15 Вольт, размеры 40*40*3,4 мм. Маркировка – TEC 1-12710.
• Старый блок питания от компьютера (с него нужен только корпус).
• Стабилизатор напряжения, со следующими техническими характеристиками: входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе – 5 Вольт. В данной инструкции по сборке термоэлектрического генератора используется модуль с USB выходом, что упростит процесс подзарядки современного телефона либо планшета.
• Радиатор. Можно взять от процессора сразу с куллером, как показано на фото.
• Термопаста.

Подготовив все материалы можно переходить к изготовлению устройства своими руками. Итак, чтобы Вам было понятнее, как самому сделать генератор, предоставляем пошаговый мастер-класс с картинками и подробным объяснением:

Разберите старый блок питания и оставьте только корпус. Он будет использовать, как место розжига огня (так называемая печь).

К ровной поверхности радиатора приклейте пластину Пельтье на термопасту. Клеить нужно маркировкой к радиатору, это будет холодная сторона. Если Вы перепутаете полярность, в дальнейшем нужно будет поменять полярность проводов, чтобы термоэлектрический генератор работал правильно.

К обратной стороне модуля приклейте корпус блока питания, как показано на фото ниже.

К выводам пластины припаяйте стабилизатор с выходом USB. Кстати, для соединения можно и паяльник сделать своими руками.

Аккуратно поместите 5-вольтовый преобразователь в радиаторе и переходите к испытаниям самодельного термоэлектрического генератора.

Работает термоэлектрический генератор следующим образом: внутри печи засыпаете дрова, поджигаете их и ждете несколько минут, пока одна из сторон пластины не нагреется. Для подзарядки телефона нужно, чтобы разница между температурами разных сторон была около 100оС. Если охлаждающая часть (радиатор) будет нагреваться, его нужно остужать всеми возможными методами – аккуратно поливать водой, поставить на него кружку со льдом и т.д.

А вот и видео, на котором наглядно показывается, как работает самодельный электрогенератор на дровах:

Генерация электричества из огня

Также можно установить на холодную сторону вентилятор от компьютера, как показывается на втором варианте самодельного термоэлектрического генератора с элементом Пельтье:

В этом случае куллер будет затрачивать небольшую долю мощности генераторной установки, но в итоге система будет с более высоким КПД. Помимо телефонной зарядки модуль Пельтье можно использовать в качестве источника электроэнергии для светодиодов, что не менее полезный вариант применения генератора. Кстати, второй вариант самодельного термоэлектрического генератора с виду и по конструкции немного похож. Единственная модернизация, помимо системы охлаждения, это способность регулировать высоту так называемой горелки. Для этого автор элемента использует «тело» CD-ROMа (на одном из фото хорошо видно, как самому можно изготовить конструкцию).

Если сделать термоэлектрический генератор своими руками по такой методике, на выходе у Вас может быть до 8 Вольт напряжения, поэтому чтобы заряжать телефон, не забудьте подключить преобразователь, который на выходе оставит только 5 В.

Ну и последний вариант самодельного источника электроэнергии для дома может быть представлен такой схемой: элемент – два алюминиевых «кирпичика», медная труба (водяное охлаждение) и конфорка. Как результат – эффективный генератор, позволяющий сделать бесплатное электричество в домашних условиях!

Оригинальная идея — горячая вода, как источник тепла

Второй эксперимент с водой

Вот мы и предоставили три простых варианта самодельного аппарата, который можно собрать из подручных средств. Теперь Вы знаете как сделать термоэлектрический генератор своими руками, на чем основан принцип работы элемента Пельтье и для чего его можно использовать!

Оригинальная идея — горячая вода, как источник тепла

Генерация электричества из огня

Второй эксперимент с водой

Как вырабатывать электричество с помощью термоэлектрического генератора Пельтье

Термоэлектрический модуль Пельтье вырабатывает электричество, когда обе стороны имеют разную температуру. Например, вы можете использовать огонь, чтобы нагреть термоэлектрический генератор, охлаждая другую сторону водой. Эти модули дешевы, и это простой способ вырабатывать электроэнергию!

Что такое эффект Зеебека и как генерировать электричество?

Эффект Зеебека — это явление, при котором тепло рассеивается через полупроводник для выработки электричества.Эти термоэлектрические генераторы содержат провода, сделанные из двух разных материалов, таких как медь и железо. Эти два типа провода лежат с обеих сторон и соединены между собой. Следовательно, это приведет к возникновению разности потенциалов, если температура не одинакова с обеих сторон. Другими словами, термоэлектрический модуль Пельтье будет вырабатывать электричество.

Как пользоваться термоэлектрическим генератором?

Выработать электричество с помощью модуля Пельтье легко, потому что все, что вам нужно, — это найти лучший способ добиться большей разницы температур.Например, вы можете использовать свечу или небольшой огонь, чтобы нагреть одну сторону термоэлектрического генератора. Действительно, термоэлектрические генераторы Пельтье используются в коммерческих целях для создания тепловентиляторов для дровяных печей. Чтобы охладить другую сторону Пельтье, вы также можете использовать воду, содержащую кубики льда. Простая установка — использовать тонкую банку со свечой под ней и поставить сверху металлическую запеканку с холодной водой.

Проверьте термоэлектрический генератор Пельтье SP1848-27145 на Amazon (филиал)

Каков КПД термоэлектрического генератора?

Эффективность термоэлектрического модуля Пельтье будет сильно варьироваться в зависимости от достигнутой разницы температур.Кроме того, важным фактором, который следует учитывать, является контакт между Пельтье и другими поверхностями. Следовательно, неадекватная или неровная поверхность снизит эффективность. Хороший способ генерировать больше электричества — также использовать термопасту. Это обеспечит максимальное рассеивание энергии между поверхностями.

Для справки, некоторые термоэлектрические модули SP1848-27145 также имеют спецификации, в которых указано, что они могут генерировать приблизительно:

Разница температур 20 градусов: 0,97 В и 225 мА

Разница температур 40 градусов: 1.8 В и 368 мА

Разница температур 60 градусов: 2,4 В и 469 мА

Разница температур 80 градусов: 3,6 В и 558 мА

Разница температур 100 градусов: 4,8 В и 669 мА

Эти значения могут варьироваться в зависимости от вашей настройки , электропроводка и нагрузка. Ознакомьтесь с моим руководством по цифровому мультиметру, чтобы узнать, как измерить напряжение и силу тока, создаваемые термоэлектрическим генератором.

Использование его с повышающим преобразователем для генерации определенного напряжения

Если ваша цель — достичь и поддерживать определенное напряжение, вы также можете использовать повышающий преобразователь. Эти модули увеличивают фактическое напряжение термоэлектрического генератора до фиксированного значения напряжения. Например, повышающий преобразователь с уменьшением силы тока для увеличения напряжения до желаемого значения, такого как 3,3 В или 5 В. Недостатком этого является то, что вы дополнительно ограничиваете силу тока. Вы все еще можете использовать повышающий преобразователь для питания небольших электронных устройств. Некоторые люди используют термоэлектрический генератор, чтобы сделать вентилятор для дровяной печи. Другой альтернативой было бы использование этого в сочетании с аккумулятором для хранения произведенной энергии.

Какой термоэлектрический модуль Пельтье выбрать?

Существует два основных типа термоэлектрических модулей Пельтье: термоэлектрические охладители (ТЕС) и термоэлектрические генераторы (ТЭГ). Эти модули Пельтье используют ту же технологию, но предназначены для определенной цели. Вы можете использовать TEC для охлаждающих устройств. В результате ток, подаваемый на ТЭО, можно использовать для охлаждения одной из его сторон. Такие модули Пельтье не являются термостойкими и также широко используются в термоэлектрических холодильниках или системах кондиционирования воздуха.Прочтите мой предыдущий пост, если хотите узнать больше о термоэлектрических охладителях Пельтье.

С другой стороны, термоэлектрические генераторы устойчивы к нагреванию и оптимальны для производства электроэнергии. Эти модули могут выдерживать температуру до 150 градусов по Цельсию. Следовательно, термоэлектрические генераторы можно использовать с пламенем в качестве источника нагрева, и они будут более эффективными для выработки электроэнергии.

AliExpress.com Продукт — SP1848-27145 TEC 40×40 мм Полупроводниковый термоэлектрический радиатор, модуль пластины Пельтье для выработки электроэнергии

Заключение

Термоэлектрические генераторы Пельтье дешевы и просты в использовании.Несмотря на то, что они не вырабатывают большой ток, их главное преимущество — простота конструкции и использования. Поэтому термоэлектрические генераторы — хороший способ преобразовать тепло в электричество. Их даже можно использовать на открытом воздухе для выработки электроэнергии на костре!

См. Также мой предыдущий пост об ультразвуковой диффузии эфирных масел и его использовании в ароматерапии или о том, как сделать простое преобразование Цельсия в Фаренгейта.

Генератор костра Пельтье, погашен 14 Вт (вид)

Это оборудование для управления и мониторинга, которое [Джек] построил для своего кострового электрогенератора.Он проделал потрясающую работу, чтобы зайти так далеко. Вы можете видеть, что он вытаскивает из системы 1 А при 14,2 Вольт. Но есть одна проблема, которая до сих пор его беспокоит.

В установке используется большая металлическая пластина в качестве радиатора над костром (который имитируется варочной плитой для тестирования). На обратной стороне этой пластины находится ряд кулеров Пельтье, которые вырабатывают электричество на основе разницы температур от одной стороны к другой — это та же теория, что и свечные генераторы. На холодной стороне установлен радиатор, через который протекает вода.Выше вы видите три реле, которые переключаются между последовательным или параллельным использованием Пельтье в зависимости от их выходного напряжения. Вы действительно не можете добраться туда, но справа есть радиатор и рециркуляционный насос, которые используются для охлаждения воды. Мы упомянули о том, что радиатор не справляется с жарой огня. Чтобы получить результаты, показанные выше, [Джек] пропускает холодную воду из-под крана через радиатор. Но, возможно, если бы это использовалось зимой, вода могла бы циркулировать через большой ящик, полный снега.Просто продолжайте закапывать его, чтобы поддерживать электрический потенциал!

После перерыва мы встроили четвертую часть видео проекта, так как она хорошо демонстрирует набор кулеров Пельтье. Вы также увидите пятую часть (тестирование радиатора и рециркуляционного насоса), из которой было взято это изображение.

Часть четвертая — Испытание электроплит

Часть пятая — испытание радиатора и рециркуляционного насоса

Power Generation — термоэлектрический

Выходная мощность (P _или ) модуля в ваттах составляет:

P _o = R _L x

Возможно, но маловероятно, что в рамках данного применения генератора будут существовать точные условия, при которых один модуль будет обеспечивать точную желаемую выходную мощность. В результате большинство термоэлектрических генераторов содержат ряд отдельных модулей, которые могут быть электрически соединены последовательно, параллельно или последовательно / параллельно. Типичная конфигурация генератора показана на рисунке (13.2). Этот генератор имеет общее количество модулей NT с количеством модулей, подключенных последовательно, и количеством модулей, подключенных параллельно. Общее количество модулей в системе:

NT = NS x NP

Рисунок (13-2)

Типовой термоэлектрический генератор

с последовательно-параллельным расположением модулей

Ток (I), проходящий через сопротивление нагрузки R _L , составляет:

	NS x S M x DT
Я =	__________________
	NS x R M
	_____________ + R L
	НП

Выходное напряжение (В _O ) от генератора в вольтах составляет:

Выходная мощность (P _O ) генератора в ваттах составляет:

	NT x (S M x DT) 2 _________________ 4 x R M
P O = V O x I =

Общая тепловая нагрузка (Qh) на генератор в ваттах составляет:

КПД (E _g ) генератора:

P _O
E _г = ——— x 100%
Qh

Максимальный КПД достигается, когда внутреннее сопротивление генератора (R _GEN ) равно сопротивлению нагрузки (R _L ). Сопротивление генератора:

NS x R _M
R _GEN = —————
NP

13.3 ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ: Чтобы проиллюстрировать типичный процесс проектирования, давайте проанализируем потребность в термоэлектрическом генераторе на 12 В, 1,5 А. Генератор необходим для питания телеметрической электроники на удаленном нефтепроводе, где горячая, непрерывно текущая нефть создает температуру кожуха трубы 130 ° C.Проточная вода (имеющая температуру 10 ° C) также доступна на удаленном участке, и было определено, что эффективный радиатор с водяным охлаждением может поддерживать температуру +30 ° C на холодной стороне генератора TE. используйте уравнения из раздела 11, чтобы получить значения SM, RM и KM для наших расчетов.

Чтобы начать процесс проектирования, мы рассмотрим параметры системы и сделаем некоторые предварительные расчеты.

Дано:

T _h = + 130 ° C = 403. 2 ° K
T _c = + 30 ° C = 303,2 ° K
V _o = 12 вольт
I = 1,5 ампера

Для этого:

T _ср = (T _h + T _c ) / 2 = (403,2 + 303,2) / 2 = 353,2 ° K
R _L = V _o / I = 12 / 1,5 = 8,0 Ом
P _o = V _o x I = 12 x 1,5 = 18 Вт
DT = T _h -T _c = 403.2 — 303,2 = 100 ° К

Обычно желательно выбирать термоэлектрический модуль с относительно «высокой мощностью» для генераторов, чтобы минимизировать общую стоимость системы. По этой причине мы выберем модуль на 127 пар, 6 ампер, который будет использоваться в нашем дизайне.

При расчете SM, RM и KM для нашего выбранного модуля на 127 пар, 6 ампер, следующие значения получаются при Tav = 353,2 ° K:

S _M = 0,05544 В / ° K
R _M = 3. 0994 Ом
K _M = 0,6632 Вт / ° K

Требуемая мощность нагрузки была рассчитана как 18 Вт. Теперь необходимо определить минимальное количество модулей, необходимых для удовлетворения этого требования к нагрузке. Максимальная выходная мощность от одного модуля:

	(S M x DT) 2	(0.05544 x 100) 2
P макс. =	____________ =	______________	= 2,479 Вт
	4 x R M	4 х 3. 0994

Минимальное количество необходимых модулей:

	P o —— P макс.	18 = ——— = 2,479
NT мин =			7.3 »8

Поскольку максимальная эффективность генератора достигается, когда R _GEN = R _L , для большинства приложений желательно выбрать конфигурацию последовательного / параллельного модуля, которая наилучшим образом приблизит этот баланс сопротивлений. Одним из возможных исключений из выравнивающего R _GEN с R _L является ситуация, когда требуется относительно низкий ток (в миллиамперном диапазоне) и умеренное напряжение. В этом случае соединение всех модулей электрически последовательно может дать наилучшие результаты.Однако имейте в виду, что максимальное выходное напряжение от генератора будет получено от группы модулей с прямым последовательным соединением только тогда, когда сопротивление нагрузки значительно превышает внутреннее сопротивление генератора.

В качестве отправной точки при оценке любого термоэлектрического генератора часто бывает полезно сначала изучить конфигурацию с прямым последовательным соединением. Сопротивление последовательной цепочки из восьми модулей составляет:

.

R GEN =

NS x R M ————— = NP

8 х 3. 0994 ————— 1

= 24,8 Ом

Видно, что сопротивление генератора 24,8 Ом значительно выше, чем сопротивление нагрузки 8,0 Ом, что указывает на то, что прямое последовательное соединение модулей, вероятно, не лучший вариант. Для условий всех серий, где NS = 8 и NP = 1, выходное напряжение составляет:

В группе из восьми модулей следующая наиболее логичная конфигурация соединения — это две параллельные цепочки по четыре модуля, т.е.е., NS = 4 и NP = 2. Сопротивление генератора для этой конфигурации, таким образом, составляет:

R GEN =

NS x R M ———— = NP

4 x 3,0994 ———— 2

= 6,2 Ом

В то время как значение R _GEN 6,2 Ом не совсем соответствует 8. Сопротивление нагрузки 0 Ом, это значение обычно считается находящимся в удовлетворительном диапазоне. В любом случае, это наиболее близкое соответствие сопротивления, которое может быть получено с выбранным типом модуля. Напряжение для этой схемы (12,49 В) рассчитывается следующим образом:

Теперь мы можем видеть, что Vo довольно близко к желаемому значению, и очевидно, что мы получили оптимальную последовательную / параллельную конфигурацию. Если требуется «точная настройка» Vo, это необходимо будет выполнить либо с помощью некоторой формы электронного регулирования напряжения, либо путем внешнего изменения применяемого перепада температур (DT).В некоторых случаях будет обнаружено, что выходное напряжение значительно выходит за пределы допустимого диапазона, несмотря на попытку всех возможных последовательностей / параллельных комбинаций. В этом случае может потребоваться использовать альтернативный термоэлектрический модуль, имеющий другой номинальный ток и / или количество пар.

Теперь можно завершить анализ конструкции, определив уровни мощности и КПД. Поскольку мы установили Vo, выходную мощность (Po) можно просто вычислить:

(В _или ) ² (12.49) ²
P _o = ——— = ——— = 19,5 Вт
RL 8,0

Общая тепловая нагрузка (Qh) на генератор составляет:

КПД генератора (Eg) составляет:

E г =

P o —— Q h

х 100% =

19.5 ——— 657,5

x 100% = 2,97%

Тепло, передаваемое радиатору холодной стороны (Qc), составляет:

Q _c = Q _h — P _o = 657,7 — 19,5 = 638,2 Вт

Максимально допустимое тепловое сопротивление (Qs) радиатора холодной стороны составляет:

(Qs) =

T подъем ————— = Q c

30–10 ° C —————— = 638. 2

0,031 ° C / Вт

Для любой конструкции термоэлектрического генератора всегда желательно максимизировать применяемую разность температур, чтобы минимизировать общее количество модулей в системе. Эта ситуация хорошо видна на рисунке (13.3). Требования к модулям для типичного 12-вольтового генератора мощностью 1 ампер показаны при нескольких фиксированных значениях Th, основанных на использовании 127-парных 6-амперных модулей TE.Из этого графика видно, что требуется очень большое количество модулей, когда температура холодной стороны (Tc) высока и, следовательно, перепад температур небольшой. Производительность радиатора с холодной стороны имеет первостепенное значение, и его тепловое сопротивление должно быть чрезвычайно низким. Во многих случаях конструкция теплоотвода с холодной стороны оказывается самой сложной инженерной проблемой.

Рисунок (13-3)

Общее количество 127 пар модулей по 6 ампер, необходимых для 12-вольтового термоэлектрического генератора мощностью 1 ампер

13. 4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В КАЛОРИМЕТРЕ : Менее, но жизнеспособным применением термоэлектрических модулей, работающих в режиме выработки электроэнергии, является создание калориметров. В обычном калориметре для измерения тепла используются обычные термопары, основанные исключительно на эффекте Зеебека. Благодаря использованию термоэлектрического охлаждающего модуля с несколькими парами можно изготовить калориметр, имеющий чувствительность (выходное напряжение на единицу плотности теплового потока) в 10–200 раз большую чувствительность стандартной термопары медь-константин.При использовании в калориметре термоэлектрический модуль часто называют термобатареей. Выходное напряжение холостого хода (В) одной термоэлектрической пары, как описано в параграфе 13.2 и показано на рисунке (13.1), составляет:

В = S x DT

Где :

В = выходное напряжение пары в вольтах
S = средний коэффициент Зеебека в вольтах / ° K
DT = разница температур в паре в ° K, где DT = Th-Tc

Для реального модуля TE, имеющего несколько пар и коэффициент Зеебека SM, выходное напряжение (Vo) составляет:

V _o = S _M x DT

Тепловой поток через ТЭ или «термобатарею» составляет:

	K M x V o ————— S M
Q = K M x DT =

Где :

Q = тепловой поток в ваттах
KM = теплопроводность модуля в ваттах / ° K

Суммарная площадь поперечного сечения (AM) всех элементов в модуле составляет:

A _M = A x N

Где :

AM = общая площадь всех элементов модуля в см ²
A = площадь поперечного сечения одного элемента в см ²
N = общее количество элементов в модуле

Плотность теплового потока (q) в Вт / см ² составляет:

q =

K M x DT ————— = A M

K M x V o ————— S M x A M

Большинство стандартных термоэлектрических охлаждающих модулей могут использоваться в калориметрах, но улучшенная чувствительность может быть реализована путем изменения отношения длины к площади (L / A) элементов ТЕ. Относительно большое отношение L / A, приводящее к высокому и «тощему» элементу, обеспечивает наилучшую чувствительность калориметра. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию, рассмотрим следующее:

Чувствительность модуля как калориметра (Sc) составляет:

S c =

V o ————— q

S M x A M = ————— K M

Было видно, что чувствительность (Sc) прямо пропорциональна коэффициенту Зеебека (SM) и общей площади поперечного сечения (AM) и обратно пропорциональна теплопроводности (KM).Переписав приведенное выше уравнение относительно теплопроводности (k) вместо теплопроводности (KM), мы получим:

S c =

S M x A M ————— k x N x A / L

Поскольку N x A = AM, выражение можно переформулировать как:

S c =

S M x L ————— k

Из этого уравнения очевидно, что чувствительность калориметра напрямую связана с длиной (L) элемента, и поэтому желательно выбирать термоэлектрический модуль с максимально возможным соотношением сторон элемента. Имейте в виду, что существуют практические ограничения на геометрию элемента из-за хрупкости кристаллического материала теллурида висмута. Однако, работая в этих пределах, можно изготавливать специальные модули, которые особенно подходят для использования в калориметрах.

Эластичная ткань вырабатывает электроэнергию из тканых термоэлектрических волокон

Конструкция и характеристики ТЕ модулей

В данной работе разработан практический пример активного ТЕ-материала волокон из углеродных нанотрубок (УНТФ).УНТФ, использованный в этой статье, был приготовлен путем скручивания четырех пленок УНТ, синтезированных методом плавающего катализатора ²⁴ , с целью повышения прочности на разрыв для последующего плетения. На изображении просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (ФЭ-СЭМ) (дополнительный рис. 1а, б) видно, что УНТФ имеет диаметр ~ 280 мкм и состоит из тысяч многослойных УНТ с толщиной ~ 11 диаметр нм. На рис. 1a – f схематически показан процесс изготовления ТЕ модулей.Сначала CNTF подвергали p-гибридизации путем погружения в коммерческий раствор поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) (подробности описаны в дополнительном примечании 1). Впоследствии CNTF n-типа был получен с равным интервалом с использованием маски из полипропилена (PP) путем легирования олеамином в сочетании с технологией электрораспыления. Поэтому было сформировано TE-волокно с попеременно легированным n- или p-сегментом на расстоянии ( L — 4 мм) / 2, как схематично показано на рис. 1c, где L (мм) — длина p – n повторяет единицу волокна.Нелегированная секция длиной 2 мм является электропроводной и рассматривается как электрическое соединение (электрод) между двумя легированными секциями. Кроме того, чтобы избежать короткого замыкания, легированный УНТФ был обернут акриловыми волокнами с использованием метода свертывания, как показано на рис. 1d, e, за исключением сегмента электрода, который был открыт для максимального теплового контакта между ТЭГ и телом человека. (подробности можно увидеть на дополнительном рис. 2). Наконец, легированные TE-волокна были согнуты в TE-петли (TE-модули) с повторяющейся длиной L с использованием вязальной спицы требуемого диаметра 3 или 6 мм по траектории, состоящей из круглых и прямых частей, здесь называемых дугой и столбиком, соответственно, как показано на рис.1f. Следует отметить, что электрод и ветвь p / n должны располагаться в положении дуги и стойки ТЕ-петли, соответственно, для изготовления ТЭГ. Механическая стабильность петли ТЕ была дополнительно изучена путем измерения изменения электрического сопротивления в зависимости от угла изгиба и циклов изгиба. Как показано на дополнительном рис. 3a – c, колебания электрического сопротивления составляют <0,5%, что указывает на механическую устойчивость контура TE.

Рис. 1: Схематическое изображение процесса изготовления петель ТЕ.

a p-Гибридизированный CNTF. b n-УНТФ, легированные методом электрораспыления. c TE волокна. d TE волокна, обернутые акриловыми волокнами. e Поперечное сечение структуры d , Φ — это диаметр TE волокна после наматывания. f петли TE.

Характеристики материала TE играют важную роль в свойствах устройств TE. Как показано на рис. 2а, чистые CNTF обладают положительным коэффициентом Зеебека ( α ) из-за примеси кислорода ^25,26,27,28 , что свидетельствует о дырчатых основных носителях.Электропроводность CNTF увеличивается с 820 до 950 Scm ^-1 после p-гибридизации, в сочетании с увеличением α (как ранее сообщалось в CNT / PEDOT: PSS composites ²⁹ ), что приводит к увеличению мощности коэффициент от 185 до 330 мкВтм ⁻¹ K ⁻² . Сравнивая морфологию поверхности первичных и p-гибридизированных CNTF на фиг. 2b, c, можно увидеть нечетко видимую волокнистую сеть, возникающую из слоя покрытия PEDOT: PSS после процесса погружения.Присутствие слоя PEDOT: PSS было дополнительно подтверждено спектром комбинационного рассеяния на дополнительном рис. 4.

Рис. 2: Характеристики CNTF.

— характеристика TE первичного CNTF, легированного CNTF и гибридизированного CNTF. b — d FE-SEM изображения поверхности CNTF. b Чистый CNTF, c p-гибридизированный CNTF и d n-допированный CNTF. Масштабные линейки, 1 мкм. e Зависимость коэффициента Зеебека от векторного расстояния блока TE. Длина повтора установлена ​​на 3.2 см, а центр электрода служит началом. f Выходное напряжение двух блоков TE, изученных в e . Все полосы погрешностей представляют собой s.e.m.

Получение стабильных ТЕ-устройств на основе УНТ n-типа остается большой проблемой. УНТФ был преобразован в материал n-типа (рис. 2a) с коэффициентом Зеебека -64 мкВ · К ⁻¹ после легирования олеамином в течение 1 часа на основе технологии электрораспыления (условия легирования показаны на дополнительном рис. 5a, b. ).Интересно, что коэффициент Зеебека стабилен после выдержки на воздухе в течение более 800 часов (согласно дополнительному рис. 6), и эта стабильность лучше, чем недавняя работа с CNT n-типа ^25,30 . В отличие от традиционного метода легирования полиэтиленимином (PEI) n-легированием ^26,31 , легирование олеамином в сочетании с технологией электрораспыления превосходит в отношении короткого времени легирования, что обеспечивает высокий коэффициент Зеебека, а также отличную стабильность на воздухе. Покрытие олеамина на УНТ можно увидеть на рис.2d, что приводит к более толстым пучкам УНТ, чем у чистых УНТ. Изолированное олеаминовое покрытие, в свою очередь, приводит к небольшому снижению электропроводности, тем не менее, высокий коэффициент мощности 320 мкВтм ^-1 K ^-2 был достигнут благодаря высокому коэффициенту Зеебека. Рамановские спектры на дополнительном рисунке 7 позволяют лучше понять эффект n-легирования, в котором повышенное отношение интенсивностей режима D к G иллюстрирует ковалентное, а также нековалентное взаимодействие ²⁶ между УНТ и олеамином, полученным с использованием технологии электрораспыления. .

Как известно, объединить как n-, так и p-сегменты в единый блок УНТ π-типа — большая проблема из-за проникновения легирующих добавок в соседние части ^16,32 . Мы сравнили наш метод легирования электрораспылением с традиционным методом погружения, как показано на рис. 2e. Отрицательный коэффициент Зеебека появляется в части p-сегмента в случае метода погружения. Процесс легирования электрораспылением показан на дополнительном рис. 8. Капля, содержащая допант, была разделена на монодисперсные микрокапли, приводимые в движение отталкивающими электрическими зарядами, а затем осаждалась с повышенной скоростью из-за электростатической силы.Наконец, ускоренные капли олеамина быстро проникли в УНТ вместо того, чтобы диффундировать в горизонтальном направлении. В результате за счет точной локализации n-легирования, как показано на рис. 2e, f, было получено трехкратное повышение выходного напряжения на единицу повторения с помощью технологии электрораспыления. Обратите внимание, что легирование электрораспылением совместимо не со всеми легирующими добавками.

Эффективная конфигурация контуров TE для TEG

Высокая эффективность TE важна для TEG. Однако другой основной проблемой носимых ТЕ-устройств является разработка эффективной архитектуры, которая соответствует направлению теплового потока, находящемуся вне плоскости.Чтобы сформировать трехмерную архитектуру, удовлетворяющую вышеуказанному требованию, подготовленные контуры TE должны быть взаимосвязаны, как показано на рис. 3a. Как указано, положение опоры ТЕ петли 1 перекрывается положением дуги ТЕ петли 2, положение опоры которой перекрывает положение дуги петли 3 ТЕ, образуя альтернативный режим блокировки. Наиболее интересно то, что благодаря упругой силе изгиба волокон TE-петли, заблокированные в указанном выше режиме, могут автоматически стоять под углом в направлении вне плоскости без подложки.Ряды этого переплетения могут образовывать трехмерную архитектуру для создания текстиля TE, как схематично показано на рис. 3c. Угол определяется параметрами плетения (длина раппорта L , диаметр Φ, и т. Д.). Обратите внимание, что этот режим блокировки может быть достигнут на тканях с большой площадью в текстильной промышленности. На рис. 3e показаны иллюстрации TE-модулей, соответствующих традиционным TE-устройствам, показанным на рис. 3c, и это доказывает компактные и эффективные TE-модули, в которых ветви p / n соединены электрически последовательно, а термически — параллельно.Здесь изготавливается текстильный материал TE с 15 элементами TE, чтобы предоставить более подробную информацию о формировании трехмерной архитектуры на рис. 3g, h. Как можно видеть, только оголенный электрод, расположенный в положении дуги каждого блока ТЕ, можно увидеть на обеих поверхностях, что способствует тепловому контакту с горячим или холодным источником. Однако обернутые акриловым волокном TE ножки не видны, потому что обернутые TE ножки находятся внутри текстиля, о чем свидетельствует изображение поперечного сечения оптической микроскопии в продольном направлении (дополнительный рис.9а – г). Обратите внимание, что только режим блокировки на рис. 3a может привести к формированию трехмерной архитектуры, используя эластичность изгибаемых волокон. Для сравнения на рис. 3b показан обычный режим конфигурации, в котором положение опоры ТЕ-контура последовательно перекрывается положением дуги следующего ТЕ-контура. Этот режим блокировки приводит к формированию двумерной архитектуры в направлении в плоскости, как показано на рис. 3d, f. Фотографии текстильных материалов TE с 15 элементами TE на рис. 3i, j также означают, что все открытые электроды показаны на одной поверхности, в то время как ножки TE, обернутые волокнами, лежат на другой поверхности.Выходные напряжения двух архитектур были дополнительно сравнены на рис. 3k, показывающее, что выходное напряжение 3D-архитектуры в ~ 24 раза выше, чем у 2D-архитектуры. Как указано выше, просто изменяя режим блокировки, обычное устройство 2D TE может быть преобразовано в архитектуру 3D, что обеспечивает высокую производительность. Кроме того, производительность блока 3D TE с прямым плетением также сравнивалась с блоком CNT, в котором только волокна TE проходят через эту трехмерную текстильную подложку на дополнительном рис. 10 и дополнительные видеоролики 1 и 2. Как показано, непосредственно сотканные блоки 3D TE обладают более высокой разницей температур и выходным напряжением. Подробный анализ можно увидеть на дополнительном рисунке 10. По сравнению с другим текстильным режимом для ТЭГ (показанным на рисунке 4), автоматически формируемая трехмерная архитектура благодаря силе упругости, а не поддерживающая подложка, является ключевым отличием в отличие от к заявленным устройствам 3D TE, где механические свойства, стабильность и характеристики TE могут быть ограничены подложкой.

Рис. 3: Архитектура и тепловые характеристики текстиля TE.

a , b Режимы конфигурации контуров TE, b показывает обычные режимы . c , d Схематические изображения текстильных изделий TE, сконфигурированных по режиму a и b , соответственно. e , f Иллюстрации модулей TE, соответствующих устройствам 3D TE c и обычным d соответственно. г , h Фотографии архитектуры с отображением 15 единиц на иллюстрациях c ( L = 32 мм, Φ = 3 мм). g показывает вид спереди, а h показывает вид сзади. i , j Фотографии архитектуры с 15 элементами, отображенными на иллюстрациях d ( L = 32 мм, Φ = 3 мм). i показывает вид спереди, а j показывает вид сзади. k Зависимость выходного напряжения двух архитектур от разницы температур.Черный и красный кружки представляют архитектуру 1 и 2 соответственно. Моделирование распределения температуры l и m теплового потока вдоль контуров (ветвей TE) с обертыванием или без него.

Рис. 4: Сравнение с другим текстильным режимом для ТЭГ.

a 2D-ТЭГ в плоскости, включая основовязаное, тканое и уточное трикотажное полотно. b Трехмерные внеплоскостные ТЭГ на подложках, включая основовязаное, тканое, уточное, а также трехмерное разделительное полотно с поддерживающими нитями или подложками. c Трехмерные внеплоскостные ТЭГ без подложки, изготовленные с использованием эластичности изгибаемых волокон, сцепленных в двухмерном пространстве.

В реальных условиях температура горячего конца ТЭГ зависит от контакта с поверхностью тела человека, тогда как холодный конец зависит от окружающей конвекции. Следовательно, тепловая конструкция при сборе электроэнергии имеет жизненно важное значение, особенно для носимых устройств. На основе базовой термоэлектрической теории ^4,33 электрическая мощность ( P ), преобразованная из тепла для носимого комбайна TE, может быть описана следующим образом: P = η ₀ Δ T _TE Q _TE (подробности см. В дополнительном примечании 2), где η ₀ является почти постоянным значением в случае данных материалов TE с собственной добротностью zT . Q _TE и Δ T _TE представляют теплоту, протекающую через ветви TE, и разность температур, соответственно. Следовательно, для выработки электроэнергии устройством TE требуется Δ T _TE и Q _TE . В устройствах TE, изготовленных из сложенных 2D пленок на подложке, необходимо учитывать уменьшенный Q _TE , который возникает в результате теплового шунтирования через подложку ²² .Напротив, автоматически устанавливаемые ТЕ-модули в этой бумаге могут контактировать с источником тепла / холодной стороной напрямую без подложки, хотя изолирующая обертка может иметь аналогичный эффект. Чтобы оценить влияние оберточного слоя на тепловые характеристики, с помощью анализа конечных элементов (FEA) моделируются разность температур Δ T _TE и нагрев Q _TE через стоящие стойки TE. Подробности моделирования приведены в разделе «Метод». Результаты численного моделирования на рис.3l, m обозначают немного больший перепад температур и 10-кратное увеличение количества тепла, протекающего через ветви TE, по сравнению с петлями TE без обертывания. Как дополнительно показано на дополнительном рисунке 10, этот упакованный блок может поддерживать более высокую и более стабильную разницу температур (динамическое обнаружение можно увидеть в дополнительных фильмах 2 и 3) по сравнению с развернутым блоком, что также способствует более высокому выходу Напряжение. Этот результат соответствует результатам численного моделирования. Приведенные выше результаты можно объяснить типовой тепловой схемой (дополнительное примечание 2) ³³ .Комбинированное тепловое сопротивление ( _HX ), обратное значение которого представляет способность теплообмена на горячей / холодной стороне, последовательно соединяет сопротивление материалов TE ( Θ _TE ). Исходя из заданной разницы температур между источником тепла и окружающей средой (Δ T _подача ), Q _TE можно получить по уравнению: Q _TE = Q _HX = Δ T _{питание} / ( Θ _HX + Θ _TE ). Фактически, оберточные слои могут увеличивать площадь отвода тепла, то есть термическое сопротивление снижается на холодной стороне. Таким образом, уменьшенный Θ _HX способствует увеличению Q _TE , за которым следует увеличенный Δ T _TE в соответствии с уравнением: Δ T _TE = Θ _TE Q _TE . Это означает, что оберточные слои могут не только избежать короткого замыкания, но и оптимизировать тепловую конструкцию устройств TE, что указывает на рациональность нашей конструкции для носимых TEG.

Биаксиальная растяжимость со стабильными характеристиками TE

В отличие от ранее описанных устройств TE с трехмерной архитектурой ^{10,11,16,18,32} , текстиль TE в этой статье не только гибок, но и поддается растяжению. Что еще более важно, продольная растяжимость этого TE-устройства в основном является результатом конфигурации каждого TE-блока, а не деформации каждого TE-блока, о которой сообщалось ранее в гибких / растягиваемых TE-устройствах ^4,12,34 .Фактическое отсутствие изгиба ТЕ-материала во время растяжения позволяет избежать потенциального разрушения ТЕ-материалов. Как показано на рис. 5а, устройства TE можно растянуть в продольном направлении более чем на 80%. На рис. 5b схематически показано соответствующее структурное изменение во время растяжения на 80%: агрегированные петли ТЕ автоматически разводятся, но в каждом узле ТЕ возникает лишь очень небольшая деформация после 50% уменьшения угла стояния с ~ 40 ° в исходном состоянии. состояние до ~ 20 ° при деформации 80%, как показано на рис.5c. Таким образом, превосходная растяжимость фактически использует силу упругости, возникающую из режима блокировки, показанного на фиг. 3a. Растяжение и автоматическое агрегирование — это пара обратимых операций, которая придает устройствам TE выдающуюся конформность, как показано в дополнительном ролике 4. Дополнительный рисунок 11a показывает, что растяжение устройства более чем на 80% не вызывает электрического сбоя. На рис. 5d, e также показано ухудшение рабочих характеристик TE по сравнению с продольным растяжением при различной разнице температур, создаваемой двумя элементами Пельтье.Небольшая деформация в 20% может немедленно привести к увеличению выходного напряжения на ~ 3%, что можно приписать усиленному тепловому контакту в результате более плоской границы раздела на краю TE-устройств с горячим элементом Пельтье, как показано на рис. 5c. В случае дальнейшего растяжения преобладает уменьшенное Δ T _TE , вызванное уменьшением угла стояния (меньший угол стояния усиливает тепловую конвекцию с источником тепла), что оказывает отрицательное влияние на выходное напряжение. Тем не менее, максимальный декремент, полученный в случае деформации 80% и 40 К, составляет <3.2%, что свидетельствует о потенциале изготовленного устройства, работающего как растягиваемый и пригодный для носки генератор энергии.

Рис. 5: Продольная растяжимость устройств TE.

Фотографии a, , вид сверху и b, , схема после продольного растяжения на 0%, 40% и 80%. Выделенная область в a указывает эффективные TE-модули с 15 (3 × 5) единицами, чья деформация равна общему текстилю. c Инфракрасные тепловые изображения вида сбоку, контактирующего с элементом Пельтье (~ 318.1 К). Пунктирной линией в c отмечен угол стояния петель TE. d Кривая отклика выходного напряжения в реальном времени устройства TE растянулась до 80% при различных перепадах температур. Разница температур создается двумя элементами Пельтье. e Ухудшение рабочих характеристик TE в зависимости от продольной деформации. Берутся средние значения не менее шести измерений. Все полосы погрешностей представляют собой s.e.m. В ₀ — выходное напряжение ТЭ устройства без растяжения. f График зависимости выходного напряжения в реальном времени устройств TE, прикрепленных к подвижному колену. г На фотографиях показано движение локтя, соответствующее графику f . Красные стрелки на графике f указывают на движение сгибания локтя, показанное в g .

Другим преимуществом устройства TE является его свойство двухосного растяжения, а не одноосное свойство существующих растягиваемых устройств TE, которые являются одноосными ^4,34 . Как показано на дополнительном рис. 12a – c, устройства TE могут быть растянуты в поперечном направлении более чем на 60%, что сопровождается устойчивым небольшим увеличением выходного напряжения, которое может достигать ~ 10%.Увеличение выходного напряжения может быть связано с большей площадью контакта с источником тепла во время поперечного растяжения.

Мы дополнительно проверили практичность наших устройств TE, изучив совместимость с частями тела произвольной геометрии или движения тела, а также стабильность на выходе. Устройства TE с 15 модулями TE были прикреплены к локтю человека и выдерживали нагрузку, возникающую в результате движения локтя. Как видно на рис. 5f, g, напряжение ~ 2,8 мВ генерировалось, когда TE-модули были прикреплены к локтю человека, и амплитуда напряжения ~ 4%, относящаяся к растяжению, вызванному движением локтя, могла быть стабильно получена во время динамического процедура тестирования (это динамическое тестирование показано в дополнительном ролике 5).Насколько нам известно, это первый раз, когда изготовлено растягивающееся устройство TE, которое представляет собой действительно пригодную для носки текстильную ткань, сопоставимую с коммерческой одеждой. Этот результат указывает на способность нашей архитектурной конструкции решать различные проблемы в термоэлектрических полях носимых устройств, в отличие от обычных гибких ТЕ-устройств, таких как растяжимость, конформность, большая площадь и стабильность для постоянного сбора электричества из человеческого тела.

Оптимизация вывода TEG

Плотность мощности, описываемая как выходная мощность на занимаемую площадь, была эффективным оценочным показателем для носимых устройств TE согласно предыдущим отчетам ^18,20 .Как проанализировано в дополнительном примечании 3 и дополнительном рисунке 13, мощность наших устройств TE сначала увеличилась, а затем уменьшилась с увеличением длины повтора L , что согласуется с традиционными жесткими устройствами TE с учетом контактного эффекта ³⁵ , и максимум получается при L = ( Θ _HX λS + 4 N ) / N . Для занятой зоны TE-петли можно рассматривать как недеформированные однородные цилиндры, поддерживающие контакт в точках пересечения, со ссылкой на обычную ткань ³⁶ .Форма петли, построенная на основе этого упрощенного предположения, показана на дополнительном рис. 14a, b, и видно, что занимаемая площадь может быть оценена как Площадь ≈ 4 NΦ ² , здесь N — общая единица количество, а Φ — это диаметр TE волокна после наматывания (подробности анализируются на дополнительном рис. 14). Однако квадратичная зависимость между занимаемой площадью и диаметром Φ не означает, что простое уменьшение Φ будет способствовать более высокой плотности мощности.Следует отметить, что меньший диаметр Φ и более длинная длина TE-повтора L приведет к ослаблению TE-ткани с последующим уменьшением угла стояния каждой TE-петли, что отрицательно сказывается на теплопередаче, а также на механических нагрузках. свойства устройства TE. Здесь мы вводим понятие коэффициента заполнения δ = L / Φ (каталожный номер ³⁷ ), чтобы численно охарактеризовать герметичность. Чтобы изготовить текстиль TE с оптимизированной удельной мощностью и механическими свойствами, на первом этапе необходимо обеспечить высокую герметичность δ .Константа δ вносит вклад в L в зависимости от Φ , указывая на важность L для оптимизации плотности мощности.

Дана высокая герметичность δ 10,6, а длина L ТЭГ ТЭГ с тем же количеством элементов была изменена с 32 до 16 мм для оптимизации удельной мощности. Резко уменьшенная занимаемая площадь видна на рис. 6а. Кроме того, толщина ТЭГ уменьшилась с 7,8 до 3,8 мм, но сохранены углы стояния ветвей ТЭО ~ 40 °.На рис. 6а также показана способность подготовленного ТЭГ адаптироваться к различным условиям нагружения, например, изгибу, скручиванию и складыванию. Кроме того, напряжение 3,5 мВ может быть немедленно обнаружено, когда кончик пальца человека касается небольшого ТЭГ, как показано на рис. 6b. Выходное напряжение при различных устойчивых перепадах температур показано на рис. 6c. Когда применяется разность температур по толщине, сразу создается очевидное зеебековское напряжение. После уменьшения длины раппорта до 16 мм напряжение уменьшается на ~ 26%, в соответствии с положительной зависимостью разницы температур на ветвях ТЕ Δ T _TE от длины раппорта L (дополнительное примечание 3).И наоборот, мощность увеличивается после уменьшения длины повтора до 16 мм, как показано на рис. 6d, e. При разнице температур 44,4 К мощность увеличивается с 4,40 до 4,64 мкВт, что сопровождается увеличением тока короткого замыкания с ~ 450 до ~ 700 мкА. Результаты показывают, что уменьшение внутреннего сопротивления R ₀ (с ~ 107 до ~ 47 Ом) может компенсировать потери мощности, вызванные уменьшением выходного напряжения, когда длина повторения регулируется с 32 до 16 мм. 4-кратное увеличение плотности мощности достигается после уменьшения длины повтора с 32 до 16 мм, как показано на рис.6f. При разнице температур 44,4 К удельная мощность увеличивается с 14000 мкВт · м ⁻² с L = 32 мм до 69000 мкВт · м ⁻² с L = 16 мм.

Рис. 6: Выходные характеристики тканого ТЭГ.

a Фотография ТЭГ, состоящая из 15 единиц (3 × 5) с разными L и идентичными δ . Параметры большего из них установлены на L, = 32 мм, Φ = 3 мм, а параметры меньшего установлены на L, = 16 мм, Φ = 1.5 мм. Масштабные линейки 1 см. b Отображение выходного напряжения ТЭГ (15 единиц) с длиной повтора 16 мм до и после касания кончиком пальца. c Контраст выходного напряжения двух ТЭГ при различных устойчивых перепадах температур, определяемый элементами Пельтье. d , e Выходная мощность ТЭГ с L 16 мм / 32 мм при различных устойчивых перепадах температур. R ₀ — внутреннее сопротивление ТЭГ. f Плотность мощности ТЭГ с разной длиной повтора L при различных устойчивых перепадах температур. г Максимальная плотность мощности, приведенная к квадрату разности температур Δ T ² нашего устройства по сравнению с несколькими точками литературных данных. Показанная здесь плотность мощности ^a выражается как выходная мощность на единицу занимаемой площади, подробности расчета отображаются в дополнительной таблице 1.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату разности температур, как показано в дополнительном примечании 3 и дополнительном рис. 15, логично провести сравнение выходных характеристик на основе плотности мощности, нормированной на квадрат разности температур Δ T ² , принимая во внимание разнообразие данной разницы температур, изученное в различных отчетах.Выходные характеристики (35 мкВтм ⁻² K ⁻² ) нашего ТЭГ с повторяющейся длиной 16 мм ( δ = 10,6) превосходит ранее описанные гибкие органические ТЭГ ^{4,16,20,30,31, 32,38,39,40,41,42,43,44,45} и даже некоторые неорганические генераторы ⁴⁶ , как показано на рис. 6g (подробности расчета показаны в дополнительной таблице 1). Что еще более важно, наш TEG может быть легко вплетен в одежду в крупных масштабах, конкурируя с коммерческой одеждой, благодаря своей превосходной гибкости и удобству ношения.Исходя из выходной мощности для повторяющейся длины 16 мм, одежда TE, покрывающая ~ 40% площади поверхности взрослого (0,86 м ² , ~ 190 000 пар последовательно), может генерировать мощность ~ 200 мкВт и напряжение холостого хода ~ 20 В. в 2,6 K разности температур между тканями TE, вызванной человеческим телом (температура окружающей среды 26 ° C), как показано на дополнительном рисунке 16, который, как ожидается, будет применяться для питания переносных микроваттных датчиков тела, таких как электрокардиограмма ⁴⁷ и пульсоксиметр ⁴⁸ , особенно в экстремальных условиях.Энергопотребление такого миниатюрного устройства составляет сотни мкВт.

Приведенные выше результаты подтверждают практическую перспективу наших ТЭГ в питании портативной электроники. Плотность мощности ТЭГ может быть улучшена путем дальнейшего соответствующего изменения как длины повторения, так и толщины оберточных слоев благодаря сложной зависимости длины повторения L и диаметра Φ от мощности, занимаемой площади и комбинированного теплового сопротивления. Волокна TE легко обернуть ультратонким изолирующим слоем, используя технику электроспиннинга, если требуется короткая длина повтора.Кроме того, этот архитектурный дизайн применим к широкому спектру активных материалов на основе волокон, таких как металлические проволоки, волокна, покрытые активными материалами с использованием методов капельного литья, нанесения покрытия погружением, трафаретной печати и магнетронного распыления. Использование более эффективных волокон на неорганической основе может дополнительно обеспечить еще более высокую удельную мощность. Кроме того, режим блокировки контуров ТЕ в этой работе может быть достигнут в большой области текстильной промышленности, открывая возможности для будущего промышленного производства.Они подтверждают применимость нашей конструкции ТЭГ в электроснабжении за счет тепла тела.

Разработайте наилучшую возможную термоэлектрическую генераторную систему

Блог Tecteg 2020-11-30T08: 52: 45 + 00: 00

Разработать лучшую возможную термоэлектрическую генераторную систему?

1. потребуется хорошо спроектированная раковина для жидкости. Не просто мойка для жидкости, а конструкция с низким расходом (менее 2 литров в минуту).Такой низкий расход снизит потребляемую мощность насоса. Поток должен быть параллельным, а не последовательным, чтобы сохранить DT для всех модулей, установленных на приемнике жидкости. Параллельный поток позволяет всем модулям подвергаться воздействию одинаковой входной тепловой температуры. Это важное соображение при проектировании, потому что, если один модуль подвергается воздействию повышенных температур холодной стороны и он включен последовательно с другими модулями, этот модуль будет влиять на выходную мощность для этого массива или группы модулей.

1. 1. Горячая сторона TEG требует наличия наилучшего поглотителя тепла с большой площадью поверхности, если это возможно, или анодированной пластины для приема и поглощения максимального теплового потока, прежде чем он пройдет и уйдет в окружающую среду.У вас всегда будет теплоотвод в атмосферу, хитрость заключается в том, чтобы максимально ограничить эту потерю. Плотный радиатор с множеством плотно расположенных (анодированных) ребер — лучший, но не всегда возможный. В корпусе радиатора тепло поглощается и концентрируется рядом с массивом модулей, ограничивая прохождение теплового потока к поверхностям горячей стороны модулей, чем короче путь, тем лучше. Если путь тепла слишком длинный, то термическое сопротивление материала ограничит его способность достичь своей цели и рассеяться в окружающую среду, прежде чем он сможет полностью адсорбироваться.

1. 1. TEG Module необходимо выбрать правильный модуль для проекта. Не используйте модуль Пельтье, если, например, вы хотите производить большое количество энергии (достаточное для зарядки сотового телефона). Они не предназначены для производства электроэнергии Seebeck. Используйте модули TEG с особыми характеристиками TEG1 серии для 320 ° C и ниже серии TEG1-PB для приложений выше 250 ° C до 320 ° C, модули CMO Cascade до 600 ° C и вскоре до 750 ° C.И только оксид CMO до 800 ° C.

1. 1. Выбор модуля серии TEG1 Если вы разрабатываете приложение с максимальной температурой горячей стороны 320 ° C, используйте TEG1-12610-5.1, TEG1-4199-5.3, TEG1-1263-4.3 или TEG1-12611 -6,0 для жидкостного охлаждения. Это потому, что эти модули быстрее передают тепло, потому что они тоньше. Меньше полупроводников термически быстрее тепловой поток. А поскольку жидкость может быстро отводить большие тепловые потоки, это означает больший тепловой поток, что приводит к увеличению выработки энергии.Если в конструкции используется воздушное охлаждение с радиатором и вентилятором, используйте ТЭГ1-12610-4.3, ТЭГ1-1268-4.3 и ТЭГ1-12611-8.0.

1. 1. Выбор серии TEG1 TEG1B-12610-5.1 — полупроводник Boutique. В частности, разработан для очень высоких температур горячей стороны в диапазоне от 260 ° C до 320 ° C. Эти температуры легко достигаются, когда у вас есть большой источник высокой температуры, но вы используете только несколько (4) модулей в своей конструкции, И используете радиатор и вентилятор.Два фактора объясняют, почему это утверждение верно. Во-первых, радиатор не может отводить много тепла; горячая сторона остается горячей, потому что тепловой поток ограничен методом отвода. Во-вторых, поскольку вы используете пару модулей, они не могут передавать большое количество тепла сами по себе, поэтому поглощающая пластина не потеряет свою температуру, и разница между температурой источника и горячей пластиной системы ТЭГ будет очень близкой.

1. 1. Выбор серии TEG1-PB TEG1-PB-12611-6.0 эти модули оптимизированы для работы при температурах в диапазоне от 250 ° C до 340 ° C и обеспечивают идеальную производительность, когда требуется сложная конструкция с большим источником тепла и требуется большая мощность. Это может быть достигнуто с помощью проточной воды и прямого контакта дров с горячей стороной. Нет барьера из стали или чугуна, поскольку эти материалы создают большое сопротивление тепловому потоку.

1. 1. Модуль ТЭГ на базе CMO необходим, когда у вас есть источники тепла выше среднего.Примерами являются инсинераторы и факельный газ с буровых площадок или выпускных коллекторов непосредственно от газового двигателя легкового или грузового автомобиля. Каскадный или оксидный термоэлектрический модуль CMO использует преимущества этих источников тепла и способен выдерживать такие сверхвысокие температуры, когда другие модули быстро выходят из строя.

1. 1. Зарядное устройство Smart MPPT Для питания системы ТЭГ требуется метод регулирования. В идеале наилучший КПД термоэлектрического генератора ТЭГ — это когда сопротивление массива модулей меньше или равно сопротивлению нагрузки.Нагрузкой является либо аккумуляторная батарея, либо двигатели, фонари и т. Д. Это критично для максимальной выработки энергии. Без этого интеллектуального контроллера / зарядного устройства практически невозможно добиться максимальной эффективности от генератора ТЭГ. Также очень важно разработать наименьшее количество модулей, соединенных последовательно, чтобы снизить сопротивление Ом до минимума.

1. Состояние батареи Если батареи, которые вы используете, старые, не могут принимать заряд и имеют высокое сопротивление, не имеет значения, насколько хорошо работает ваша система ТЭГ, вы не сможете полностью зарядить свои батареи.Очень важно поддерживать ваши батареи, чтобы они работали наилучшим образом. Системы ТЭГ идеально подходят для продления срока службы батарей, поскольку они постоянно заряжаются, а срок службы батарей увеличивается на 20–30%. Постоянная зарядка аккумулятора продлевает срок службы. В отличие от солнечной, которая заряжает батареи только на короткий период времени. Батареи разряжены, и их необходимо перезарядить. Этот процесс подъема и опускания сокращает срок службы батарей. Уменьшение циклов понижения напряжения снижает накопление сульфата в батарее, продлевая срок ее службы.

Можно ли преобразовать тепло напрямую в электричество? — Mvorganizing.org

Можно ли преобразовать тепло напрямую в электричество?

Термоэлектрические материалы генерируют энергию непосредственно из тепла, преобразуя разницу температур в электрическое напряжение. Низкая теплопроводность гарантирует, что когда одна сторона нагревается, другая остается холодной, что помогает генерировать большое напряжение в условиях температурного градиента.

Какой преобразователь энергии самый эффективный?

Ксенон, безусловно, самый эффективный из газов, хотя криптон более эффективен при определенной длине волны света.

Как тепло можно использовать для выработки электроэнергии дома?

Термоэлектронные генераторы преобразуют тепло или свет в электрический ток, используя разницу температур между двумя металлическими пластинами, разделенными вакуумом. «Горячая» пластина нагревается либо падающим светом, либо теплопроводностью, и это вызывает испарение электронов с ее поверхности.

Как отработанное тепло преобразуется в электричество?

Другой подход к преобразованию отработанного тепла в энергию — использование термоэлектрического модуля (ТЕМ).В TEM используется термоэлектрический генератор, который представляет собой твердотельное устройство, которое преобразует разницу температур непосредственно в электрическую энергию посредством явления, называемого эффектом Зеебека.

Как получают энергию из тепла?

Термоэлектрические системы сбора урожая могут использоваться для преобразования тепловой энергии, содержащейся в потоке жидкости, в электричество. Вероятными источниками могут быть стоки с угольных и атомных электростанций. Также можно собирать отходящее тепло от солнечных тепловых и геотермальных электростанций.

Электричество горячее или холодное?

Электрический ток — это поток электронов через среду. Эти маленькие отрицательно заряженные частицы сталкиваются с атомами среды (проволоки), и эти столкновения вызывают выделение энергии (в виде тепла). Не жарко.

При какой температуре перестает течь электричество?

Теоретически электричество течет при абсолютном нуле. Сверхпроводники имеют нулевое сопротивление при температурах, близких к абсолютному нулю. Электрический ток может течь вечно в замкнутой цепи из сверхпроводника.Но на практике достичь абсолютного нуля невозможно.

Может ли огонь вырабатывать электричество?

МОЩНОСТЬ | Термоэлектрический генератор PowerPot — это термоэлектрический генератор, который использует тепло для выработки электроэнергии. Просто добавьте воды и поместите PowerPot в огонь (например, дрова, пропан, бутан, спирт, газ), и через несколько секунд он начнет вырабатывать электричество.

Можно ли использовать холод для выработки электроэнергии?

Ученые нашли способ использовать холод ночи для выработки электроэнергии.Процесс, называемый радиационным охлаждением неба, может генерировать достаточно электроэнергии для питания светодиодной лампы. Думайте об этом как о солнечных батареях, за исключением того, что для получения энергии используется изменение ночной температуры, а не солнце.

Как называется энергия холода?

Это известно как поступательная кинетическая энергия, и это основная форма кинетической энергии для газов и жидкостей. Молекулы воды во льду колеблются в фиксированном положении и, как следствие, обладают «колебательной» кинетической энергией.

Какой вид энергии хранится в резервуаре?

Вода в водохранилище за плотиной гидроэлектростанции — еще один пример потенциальной энергии. Сохраненная в резервуаре энергия преобразуется в кинетическую энергию (движение), когда вода течет по большой трубе, называемой напорным водоводом, и вращает турбину.

Может ли охладитель Пельтье вырабатывать электричество?

Модуль Пельтье позволяет превращать тепло в электричество. Поскольку вы можете разместить его в обычно теплых местах, вырабатываемое электричество в некотором смысле «бесплатное», хотя лучше всего он работает, когда одна сторона модуля холодная, а другая горячая.

Сколько мощности производит Пельтье?

Один ТЭГ вырабатывает мощность от 1 до 125 Вт. Использование большего количества ТЭГ в модульном соединении может увеличить мощность до 5 кВт, а Δ T max может быть больше 70 ° C. Источник тепла, например, система тепловых труб (устройства ТЭГ и система тепловых труб могут использоваться вместе в системах утилизации отработанного тепла).

Сколько вольт может произвести Пельтье?

Таким образом, наиболее распространенные устройства Пельтье теперь используют этот формат, соединяя более пары сотен таблеток, и это позволяет устройству по-прежнему потреблять только, например, 5 ампер, вместо того, чтобы более тысячи, каждое из которых было подключено параллельно.Большинство из них предназначены для работы в системах с напряжением от 12 до 16 вольт.

Насколько холодным может быть охладитель Пельтье?

Пластина Пельтье в стандартном переносном термоэлектрическом охладителе потребляет 3-5 ампер. Он способен выдерживать температуры примерно на 40 градусов по Фаренгейту ниже, чем температура окружающей среды. Это означает, например, что если ваш кулер стоит на улице в 80-градусный день, самый холодный, который он может получить, будет 40 градусов.

Может ли Пельтье заморозить воду?

1,5 часа), чтобы заморозить один литр воды от 40 ° C.Термоэлектрические модули (ТЕМ), работающие на эффекте Пельтье, могут обеспечивать высокую скорость охлаждения при работе от источника постоянного тока. С помощью таких ТЕМ воду можно заморозить без хладагента, при этом время замораживания значительно сокращается до 3 минут.

Почему Пельтье не используется в AC?

Большинство термоэлектрических охладителей не охлаждают ниже 50 ° F. Кроме того, термоэлектрические охладители не рекомендуется использовать в помещениях с температурой выше 80 °. Это связано с тем, что устройство Пельтье не способно к большому тепловому потоку и действительно может снизить температуру только примерно на 20 градусов.

Насколько эффективно охлаждение Пельтье?

В холодильной технике термоэлектрические соединения имеют примерно 1/4 КПД по сравнению с традиционными средствами: они предлагают примерно 10–15% КПД идеального холодильника с циклом Карно по сравнению с 40–60%, достигаемым в обычных системах с циклом сжатия (обратный цикл Ренкина). системы, использующие сжатие / расширение).

Как повысить эффективность Пельтье?

Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT — оптимизация радиатора и вентилятора.
2. Минимизируйте потери мощности — изолируйте охлаждаемую область.
3. Оптимизация COP — Выберите элемент Пельтье соответствующей мощности.

Какой модуль Пельтье лучше всего подходит для охлаждения?

BQLZR Huge TEC1 — термоэлектрический охладитель Пельтье 62 мм x 62 мм x 4,8 мм.

Может ли Пельтье охладить комнату?

1 Ответ. Термоэлектрические модули охлаждения Пельтье можно использовать для охлаждения всего, что вам нравится.

Является ли Пельтье водонепроницаемым?

Серия AHP-3250 с приводом от Пельтье будет поддерживать эффективное охлаждение и нагрев, при этом сохраняя целостность NEMA12 / 4 / 4X вашего водонепроницаемого корпуса.Функция контроля температуры в экономичном режиме помогает экономить электроэнергию. Возможно повышение эффективности на 10% при более высоких температурах окружающей среды.

Сколько времени нужно Пельтье на работу?

Как долго прослужит типичная установка TECA? Ожидаемый срок службы модулей TECA высок благодаря долговечности твердотельной конструкции. Срок службы наших кондиционеров обычно превышает пять лет при нормальных условиях.

Можно ли штабелировать кулеры Пельтье?

Непосредственная укладка модулей Пельтье на практике проблематична.Требуется значительный теплоотвод. Вы можете представить себе последовательный массив Пельтье (сложенный) в системе как машину, которую необходимо «запустить». Если теплоотвод слишком велик, нагрев / охлаждение начнется бесконечно.

Какой Пельтье лучший?

• TEC1-12706 Модуль Пельтье термоэлектрического охладителя.
• Модули Пельтье TEC1-1264.
• TEC1-40mm Термоэлектрический охладитель 15A Модуль Пельтье для промышленности.
• 863 МГц ~ 870 МГц RF модули Пельтье.
• TEC1-12706 Термоэлектрический охладитель Пельтье, модуль 12 В, 92,4 Вт.
• Термоэлектрический охладитель — модуль Пельтье — TEC1-12706.
• Модули Пельтье.

Как повысить эффективность термоэлектрического охладителя?

Вы могли бы:

1. Лучше изолируйте кулер.
2. Добавьте еще один термоэлектрический охлаждающий элемент. а.
3. Добавьте больше воздушного потока с каждой стороны охлаждающего элемента. Если позволить горячей стороне подниматься намного выше температуры окружающей среды, холодная сторона станет соответственно более горячей.

Обратимы ли устройства Пельтье?

Многие вещи в физике обратимы, и Пельтье не исключение. Устройство на самом деле представляет собой форму термопары, а в термопаре разница температур вызывает разность напряжений.

Кто изобрел Пельтье?

Жан-Шарль-Афанас Пельтье

Какая сторона Пельтье холодная?

Модули охлаждения

Поместите модуль на плоскую поверхность так, чтобы провода указывали на вас, при этом положительный (красный) провод с левой стороны, а отрицательный (черный) провод — с правой стороны.В этой ориентации холодная сторона будет обращена вниз, а горячая сторона будет обращена к вам.

Альтернативный источник питания для переносных электрокардиографических систем

Abstract

В последние годы усилился исследовательский интерес к разработке мониторинга показателей личного здоровья в реальном времени с использованием переносных электрокардиографических систем. Новые усовершенствованные термоэлектрические элементы потенциально являются ключевой технологией, которая может использоваться для преобразования тепла человеческого тела в энергию для использования в носимых устройствах электрографического мониторинга.Эта работа представляет собой систематический обзор потенциального применения термоэлектрических генераторов для использования в качестве источников питания в портативных системах электрокардиографического мониторинга. Новые стратегии миниатюрных жестких термоэлектрических модулей в сочетании с батареями или суперконденсаторами могут обеспечить адекватный источник питания для носимых электрокардиографических систем. Гибкие термоэлектрические генераторы также могут поддерживать носимые электрокардиографические системы напрямую, когда в конструкцию встроен радиатор, чтобы увеличить и стабилизировать температурный градиент.Недавние достижения в улучшении характеристик новых гибких термоэлектриков на основе волокна / ткани открыли захватывающее направление для разработки носимых электрокардиографических систем.

Ключевые слова: электрокардиографические системы, генераторы, источники питания, термоэлектрики

Реферат

В этой работе показано, что как жесткие, так и гибкие термоэлектрические генераторы энергии, с преимуществами экологичности и необслуживаемости, подходят для сбора электроэнергии от человеческого тела для включения носимых электрокардиографических систем.Более того, достижения в области гибких термоэлектрических материалов будут способствовать дальнейшему расширению масштабов их применения в электрокардиографических системах.

1. Введение

Удовлетворение потребностей в отношении здоровья и образа жизни все более стареющего населения представляет собой одну из серьезных социальных проблем, стоящих перед обществом, и это стимулирует разработку ряда технологий мониторинга здоровья в реальном времени, которые могут быть легко приняты пожилыми гражданами. ^{[ 1} , ^{2 ]} Системы электрокардиографического мониторинга могут предоставлять информацию о сигнале сердечной функции в реальном времени, включая периодичность сердечных сокращений и характеристики деполяризации и реполяризации сердечной мышцы во время сердечных циклов, которые могут использоваться для определения и управления состоянием здоровья людей. ^{[ 3 ]}

Достижения в области электронной миниатюризации и оптимизации конструкции легкого веса привели к появлению портативных и носимых электрокардиографических систем. ^{[ 1} , ⁴ , ^{5 ]} На рисунке схематично показаны обнаружение сигнала, потребление энергии и выходные сигналы традиционных носимых электрокардиографических систем с кабельным и беспроводным подключением. ^{[ 6} , ^{7 ]} Как традиционные, так и беспроводные электрокардиографические системы полагаются на носимые датчики для обнаружения сигнала, и эти устройства должны выдавать достаточный сигнал для доставки медицинской информации в реальном времени.Использование интеллектуальных материалов и устройств может еще больше снизить потребности традиционных электрокардиографических систем в электропитании от мВт до мкВт. ^{[ 1} , ⁶ , ^{7 ]}

Принципиальная схема обнаружения сигналов, потребления энергии и выходных сигналов традиционных и беспроводных электрокардиографических систем. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 6} , ^{7 ]} Авторские права 2020, Verdict Media Limited и Free3D.

Недавние улучшения характеристик термоэлектрических материалов и конструкции устройств привели к разработке нового поколения термоэлектрических генераторов, которые могут реализовать экологически чистую, бесшумную, механически простую форму прямого преобразования энергии между теплом и электричеством, подходящую для использования. в качестве источников питания для систем кардиографического мониторинга здоровья. ^{[ 4} , ⁸ , ⁹ , ¹⁰ , ¹¹ , ^{12 ]}

Как традиционные, так и беспроводные электрокардиографические системы полагаются на носимые датчики для обнаружения сигналов и могут эффективно выдавать сигналы, достаточные для предоставления медицинской информации в реальном времени людям.Между тем, по сравнению с традиционными электрокардиографическими системами, объединение интеллектуальных устройств с электрокардиографической системой снижает требуемую мощность источника питания от мВт до мкВт. ^{[ 1} , ⁶ , ⁷ , ^] Таким образом, термоэлектрические генераторы подходят для использования в качестве источников питания для систем электрокардиографического мониторинга здоровья.

На рисунке показаны типовые термоэлектрические модули, которые являются базовыми блоками термоэлектрических генераторов.Первоначальные исследования термоэлектрических генераторов были сосредоточены на нишевых приложениях, в которых использовались специализированные источники тепла с высокой выходной мощностью, такие как радиоизотопы, для выработки электроэнергии для аэрокосмических миссий (рисунок). ^{[ 13} , ¹⁴ , ¹⁵ , ¹⁶ , ^{17 ]} Термоэлектрическое преобразование с использованием радиоизотопных источников тепла может обеспечить относительно стабильное энергоснабжение космических аппаратов с непрерывным необслуживаемым преобразованием тепла в электричество. ^{[ 13} , ¹⁸ , ¹⁹ , ^{20 ]} Большая часть предыдущей работы также включала разработку, применение и оценку традиционных неорганических термоэлектрических материалов, подходящих для использования в регенерации отработанного тепла транспортных средств (рисунок), где термоэлектрические генераторы могут вырабатывать электроэнергию за счет утилизации отработанного тепла двигателя транспортного средства и отходов. газ. ^{[ 21 год} , ²² , ²³ , ^{24 ]} Однако высокая стоимость материалов и недостаточная эффективность преобразования энергии термоэлектрических генераторов ограничивают разработку и коммерциализацию продукта. ^{[ 25} , ²⁶ , ²⁷ , ^{28 год} , ^{29 ]}

а) Термоэлектрические модули. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 4 ]} Авторские права 2016, Nature. б) Термоэлектрики, используемые в качестве радиоизотопных термоэлектрических генераторов для аэрокосмических миссий. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 13 ]} Авторское право 2011 г., Королевское химическое общество. в) Термоэлектрические устройства, используемые для утилизации отработанного тепла транспортных средств.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 21 год ]} Авторские права 2018, Elsevier. г) Гибкие и пригодные для носки термоэлектрические модули с использованием гибких медных электродов и растягиваемых листов. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 30 ]} Авторские права 2019, Science. д) Принципиальная схема и фотография собранного гибкого термоэлектрического модуля. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 30 ]} Авторские права 2019, Science. е) Гибкий активный двухпараметрический датчик для мониторинга чувствительных температурных и физиологических сигналов.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 34 ]} Авторские права 2019, Королевское химическое общество. ж) Схема, показывающая термоэлектрические модули. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 35 год ]} Авторские права 2018, John Wiley and Sons. з) Максимальная эффективность преобразования энергии ( η ) термоэлектрического генератора энергии как функция разницы температур (Δ T ) при различных значениях безразмерной добротности материала ( zT ).

С развитием многофункциональных и миниатюрных электронных устройств были разработаны гибкие термоэлектрические генераторы с использованием гибких электродов и подложек. Например, гибкий термоэлектрический модуль может быть собран, когда термоэлектрические ветви объединены с гибкими медными электродами и растягиваемыми листами (рис.,) ^{[ 30} , ^{31 год} , ³² , ^{33 ]} Другие новые практические применения также могут быть расширены за счет разработки очень гибких термоэлектрических материалов.Например, Zhu et al. ^{[ 34 ]} интегрированные термоэлектрические и пьезоэлектрические материалы для формирования гибкого активного двухпараметрического датчика для мониторинга ряда физиологических сигналов, а также температуры (рисунок). Более того, повышенная гибкость термоэлектрических материалов и генераторов может способствовать их применению в электрокардиографических системах. На рисунке схематично показана структура типичного термоэлектрического модуля. Эти модули состоят из последовательно соединенных p-n переходов.В таком модуле термоэлектрические материалы как p-типа, так и n-типа важны для общей эффективности преобразования энергии. ^{[ 35 год} , ³⁶ , ^{37 ]} Максимальная эффективность преобразования энергии ( η ) термоэлектрических генераторов напрямую зависит от безразмерной добротности материала, zT = S ² σ⋅T / κ = S ² σ⋅T / ( κ _л + κ _e ), где S , σ , T , κ , κ _e и κ _l — коэффициент Зеебека, электрическая проводимость, температура, общая теплопроводность, электрическая теплопроводность ( κ _e = LσT , а L — фактор Лоренца ^{[ 11} , ³⁸ , ³⁹ , ⁴⁰ , ^] ) и решеточной теплопроводности соответственно. ^{[ 27} , ^{41 год} , ⁴² , ^{43 год} , ^{44 год ]} Более высокие значения zT приводят к более высоким η (рисунок). ^{[ 11} , ⁴⁵ , ⁴⁶ , ⁴⁷ , ^] Стратегия увеличения η является движущей силой исследований и разработок, направленных на повышение выходной термоэлектрической мощности и минимизацию требований к источникам питания, чтобы предоставить решения для проектирования и производства электрокардиографических систем. ^{[ 48} , ⁴⁹ , ⁵⁰ , ^{51 ]}

В этом отчете о ходе работы мы всесторонне рассматриваем стратегии проектирования модулей, которые были приняты для оптимизации выходной мощности гибких термоэлектрических генераторов для систем электрокардиографического мониторинга, прежде чем выделять физические, механические и термоэлектрические свойства материалов, используемых в гибких термоэлектрических элементах. генераторы. Наконец, мы определяем перспективные направления исследований в области электрокардиографических систем с термоэлектрическим питанием.

2. Конструкция термоэлектрического генератора для носимых электрокардиографических систем

Традиционные жесткие термоэлектрические модули собираются в термоэлектрические генераторы и применяются в носимых электрокардиографических системах. ^{[ 52 ]} Кроме того, гибкие термоэлектрические модули специальной конструкции также могут быть интегрированы в носимые электрокардиографические системы. ^{[ 53 ]} Однако важно, чтобы при проектировании термоэлектрической системы основное внимание уделялось достижению хорошей стабильности выходной мощности и плотности термоэлектрических генераторов.Традиционные жесткие термоэлектрические модули обычно имеют очень ограниченную гибкость (рисунок). Однако недавние исследования показали, что теперь можно реализовать новые конструкции, которые можно использовать в приложениях для электрокардиографического мониторинга, которые можно носить и обеспечивать стабильные источники питания. ( Рисунок ). ^{[ 4 ]}

a) Сравнение размеров термоэлектрического модуля, используемого для беспроводной носимой электрокардиографической системы, и монеты в один евро (a1) и соответствующей термоэлектрической рубашки (a2), где 1) указывает на один отдельный термоэлектрический модуль и 2 ) — фотоэлектрический элемент.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 52 ]} Copyright 2010, Springer. б) Принципиальная схема и фотография гибкого термоэлектрического силового модуля, собранного с жесткими ножками Bi ₂ Se _0,3 Te _2,7 , Bi _0,3 Sb _1,7 Te ₃ ножками и полимерными материалами. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 53 ]} Авторское право 2018 г., Американское химическое общество. c) Плотность мощности и напряжение холостого хода ( В ₀ ) гибкого термоэлектрического модуля в собранном виде в зависимости от факторов наполнителя. ^{[ 53 ]} d) Термическое сопротивление и e) В ₀ термоэлектрических модулей с разной температурой кожи (в разных местах тела человека). ^{[ 52 ]} f) Схема показывает влияние объединения термоэлектрических модулей с батареями для стабилизации выходной мощности по сравнению с модулями без батарей и в сочетании с суперконденсаторами. g) Напряжение питания зарядного конденсатора, встроенного в схему управления питанием, в зависимости от времени работы. ^{[ 53 ]}

2.1. Основы проектирования переносных термоэлектрических модулей

Керамические пластины широко используются в традиционных жестких термоэлектрических модулях, и эти пластины очень негибкие (рисунок). Однако при соответствующей конструкции эти жесткие модули могут быть спроектированы так, чтобы их можно было носить, и они обеспечивают стабильный источник питания для переносных электрокардиографических систем (рисунок). ^{[ 4} , ^] Чтобы реализовать гибкость носимых термоэлектрических модулей, Kim et al. ^{[ 53 ]} удалили жесткие керамические пластины традиционных термоэлектрических модулей и залили полимерный материал с низким значением κ 0,03 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ в пространство между термоэлектрическими ножками (рисунок). Кроме того, используемые медные электроды должны быть как можно более тонкими, чтобы обеспечить гибкость термоэлектрических модулей. Однако истончение медных электродов может вызвать повышенное электрическое сопротивление и ухудшить термоэлектрические характеристики.По этой причине толщина медных электродов должна быть оптимизирована, например, для медных электродов подходит толщина 70 мкм. ^{[ 53 ]}

Фактор наполнения (относящийся к соотношению между общей площадью термоэлектрических ветвей и всего модуля) также может влиять на характеристики гибкого термоэлектрического модуля. На рисунке показано напряжение холостого хода ( В ₀ ) и удельной мощности проектируемого гибкого термоэлектрического модуля в зависимости от фактора наполнителя.Уменьшение соотношения наполнителя может привести к уменьшению V ₀ из-за увеличенного количества термоэлектрических ветвей. Кроме того, модель V ₀ увеличивается с увеличением коэффициента наполнителя, что противоположно тенденции удельной мощности как функции коэффициента наполнителя. Это может быть связано с пониженным термическим сопротивлением на границе раздела окружающий модуль и модулем, вызванным использованием полимеров с низким значением κ в качестве наполнителей. ^{[ 53 ]} Кроме того, уменьшение толщины медных электродов (от 70 до 35 мкм) с целью повышения гибкости также приводит к увеличению электрического сопротивления и, как следствие, небольшому снижению плотности мощности (≈7%). ^{[ 53 ]}

2.2. Стабилизация выходной мощности с помощью дополнительной электроники

Жесткость традиционных термоэлектрических модулей приводит к плохой связи с человеческим телом, поэтому электричество, получаемое от тепла человеческого тела, нестабильно и не может непрерывно напрямую использоваться в качестве стабильного источника для питания переносных электрокардиографических систем. . ^{[ 52} , ^] На рисунке нанесите график теплового сопротивления и V ₀ отдельного жесткого термоэлектрического модуля в зависимости от температуры кожи в различных положениях.Как ясно показано, температура кожи человеческого тела в разных местах должна измениться только на ≈3 К, чтобы резко повлиять на тепловое сопротивление, которое может значительно варьироваться от ≈800 до ≈200 см ² К Вт ^-1 . ^{[ 52 ]} Одновременно В ₀ отдельного термоэлектрического модуля может увеличиваться от ≈100 до ≈160 мВ. ^{[ 52 ]} Таким образом, стабильность выходной мощности является ключевой проблемой при применении традиционных жестких термоэлектрических генераторов в качестве переносных источников питания для электрокардиографических систем.

Термоэлектрические генераторы, интегрированные с суперконденсаторами, могут действовать как буферы энергии, которые могут повысить стабильность выходной мощности, как было предложено Леоновым и др. ^{[ 52 ]} Суперконденсаторы могут уменьшить дефицит мощности в масштабе нескольких минут (рисунок). При энергопотреблении в режиме ожидания всего ≈1 мкВт суперконденсаторы также можно заменить перезаряжаемыми батареями, которые могут продлить время работы в режиме ожидания до нескольких дней. ^{[ 52 ]} Дополнительные батареи также могут сократить время запуска. ^{[ 52 ]} Включение зарядного конденсатора в схему управления питанием со временем запуска ≈200 с (рисунок) полностью решило эту проблему для гибких термоэлектрических генераторов.

В то время как гибридные системы электропитания с термоэлектрическими батареями и термоэлектрическими батареями все еще не используются, для поддержания системы в режиме ожидания требуется ≈1 мкВт. ^{[ 52 ]} Однако саморазряд батареи может медленно истощить всю оставшуюся мощность и в конечном итоге привести к ее истощению. ^{[ 52 ]} Сочетание разработанной системы электропитания с фотоэлектрическими элементами может решить эту проблему. ^{[ 52 ]} Дополнительные фотоэлектрические элементы могут непрерывно питать систему вместо батареи, если разместить устройство в доступных для света местах. ^{[ 52 ]}

2.3. Гибкая конструкция радиатора для высокой выходной мощности

Типичная интегрированная носимая электрокардиографическая система может включать носимый электрокардиографический датчик, усилитель напряжения и схему регулятора.Для питания такой системы выходная мощность должна достигать нескольких мВ для проектируемого термоэлектрического генератора. ^{[ 53} , ^] Обычно традиционные носимые термоэлектрические генераторы не могут обеспечить такую ​​выходную мощность из-за недостаточной разницы температур (Δ T ) между кожей человека и окружающей средой. Чтобы преодолеть эту проблему, Леонов и соавт. ^{[ 52 ]} заменил энергопотребляющую компактную носимую электрокардиографическую систему энергосберегающими беспроводными датчиками и снизил энергопотребление до ≈10 мкВт.Kim et al. ^{[ 53} , ^] предложил гибкий радиатор для увеличения Δ T без ущерба для гибкости.

Супервпитывающие полимеры, которые могут удерживать большие количества жидкости, например воды, были использованы для гибкой конструкции радиатора. ^{[ 53 ]} Супервпитывающие полимеры также могут быть объединены с внешней тканью для рассеивания тепла, испарения воды и поддержания Δ T . Одним из многообещающих супервпитывающих полимеров является коммерчески доступный сшитый полиакрилат натрия, который содержит молекулы с длинной цепью (с множеством повторяющихся звеньев) и электрические заряды.После погружения в воду осмотическое давление может толкать воду в полиакрилат натрия, и электрические заряды могут связываться с молекулами воды внутри полиакрилата натрия ( Рисунок ). ^{[ 53 ]}

a) Принципиальная схема и фотография гибкого радиатора на полимерной основе. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 53 ]} Авторское право 2018 г., Американское химическое общество. б) Плотность мощности В и № ₀ гибкого термоэлектрического генератора после объединения с гибким радиатором на полимерной основе в зависимости от времени работы (<50 мин). ^{[ 53 ]} c) V № ₀ гибкого термоэлектрического генератора после объединения с гибким радиатором на полимерной основе в зависимости от времени работы в течение длительного периода эксплуатации (≈24 ч). ^{[ 53 ]}

Следует отметить, что одним из ключевых недостатков конструкций гибких радиаторов на основе полимеров является то, что вызванная испарением потеря воды может привести к ухудшению плотности мощности при непрерывной работе.Как показано на рисунке, V ₀ и плотность мощности гибкого термоэлектрического генератора (после комбинации с гибким радиатором) значительно ухудшилась примерно на ≈40% при непрерывной работе. При длительной эксплуатации В ₀ может стабилизироваться на уровне ≈50 мВ после работы в течение ≈4 часов и оставаться на этом уровне в течение ≈18 часов (рисунок). ^{[ 53 ]} Такой V ₀ превосходит аналогичное гибкое термоэлектрическое устройство, которое было объединено с металлическим радиатором (стабилизированное на уровне ≈37 мВ через 3 мин). ^{[ 53 ]}

3. Носимые электрокардиографические системы

После решения проблем стабильности выходной мощности и недостаточной выработки энергии переносные термоэлектрические модули и другие необходимые элементы далее интегрируются в носимые электрокардиографические системы для практического применения.

3.1. Носимая термоэлектрическая одежда на основе жестких термоэлектриков

Сочетание жесткой системы электропитания на основе термоэлектрического модуля с пригодной для носки одеждой, такой как рубашка, требует, чтобы термоэлектрические модули были достаточно маленькими, чтобы обеспечивать функциональность и комфорт для пользователей.Комбинация батарей и термоэлектрических модулей может обеспечить устойчивое решение за счет достижения целей миниатюризации, но при сохранении стабильного и достаточного источника питания. Кроме того, поскольку средняя мощность, производимая человеческим телом, превышает минимальную потребность в мощности беспроводной носимой электрокардиографической системы в два раза, требуется лишь небольшое количество интегрированных термоэлектрических модулей. ^{[ 52 ]} Уменьшенный размер модуля может сделать разработанную гибридную систему питания с термоэлектрическими батареями более удобной при ношении пользователями.

Чтобы генерировать достаточную мощность (1 мВт) для переносной беспроводной электрокардиографической системы, обеспечивая при этом комфорт для пользователей (за счет уменьшения толщины термоэлектрических модулей), Леонов и др. ^{[ 52} , ^] использовал 14 небольших частей термоэлектрических модулей (фиг. 1) для сборки рубашки с термоэлектрическим питанием (фиг. 2), включая беспроводную электрокардиографическую систему. Термоэлектрические модули занимали ≈1,5% площади поверхности рубашки. При нормальных условиях работы в офисе (температура ≈23 ° C) термоэлектрическая одежда может генерировать выходную мощность 0.От 8 до 1 мВт при ≈1 В, когда пользователь стоит или сидит, как показано на Рис. . ^{[ 52 ]} На рисунке показана выходная мощность термоэлектрической рубашки, когда пользователь ходит. Как видно, выходная мощность имеет увеличенный зазор 2 или 3 мВт. На рисунке показан выходной сигнал термоэлектрической одежды, содержащей беспроводную систему электрокардиографического мониторинга с питанием. ^{[ 52} , ^] Носимая термоэлектрическая рубашка может удовлетворить требования к питанию, необходимые для беспроводной электрокардиографической системы, и эта конфигурация может обеспечить эффективное решение для мониторинга состояния здоровья людей.Кроме того, герметизация блока питания с помощью двухстороннего гибкого кабеля может защитить его от стирки и надавливания (рисунок). ^{[ 52 ]}

Выходная мощность термоэлектрической рубашки, генерируемая при различных температурах окружающей среды при типичных повседневных действиях, таких как а) стояние или сидение и б) ходьба. ^{[ 52 ]} c) Двухсторонние термоэлектрические модули, провода и фотоэлементы с гибким корпусом. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 52 ]} Copyright 2010, Springer. г) Электрокардиограмма, экспортированная беспроводной электрокардиографической системой с термоэлектрическим питанием от рубашки. ^{[ 52 ]} Copyright 2010, Springer. д) Фотография собранной электрокардиографической системы (состоящей из переносного термоэлектрического генератора (w-TEG) ​​с гибким радиатором на полимерной основе (PHS), переносной интегральной схемы управления питанием, повышающего преобразователя, переключателя уровня напряжения (VDD), анализатор сбора данных (DAQ) и электрокардиографический модуль) и соответствующий f) вывод электрокардиографического сигнала.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 53 ]} Авторское право 2018 г., Американское химическое общество.

3.2. Гибкая электрокардиографическая система на основе термоэлектриков

Чтобы реализовать более удобные электрокардиографические приложения, Kim et al. ^{[ 53 ]} интегрировал гибкий термоэлектрический генератор и радиатор с другими компонентами (рисунок). Гибкие термоэлектрические модули сначала интегрируются с переносной схемой управления питанием для управления питанием.Впоследствии вводится переключатель уровня напряжения для настройки уровня мощности с 40–100 мВ до 3,8 В. Для дальнейшей настройки напряжения на 1 В, которое является рабочим напряжением электрокардиографического модуля и буфера сбора данных, был также установлен повышающий преобразователь. связаны. ^{[ 53 ]} После вычета мощности, используемой этими компонентами, 70 мкВт электроэнергии от термоэлектрического генератора энергии можно использовать для питания электрокардиографической системы и буфера сбора данных.Фактически, для электрокардиографической системы и буфера сбора данных требуется всего 15 мкВт. ^{[ 53 ]} Эти исследователи показали, что этот тип переносного термоэлектрического генератора энергии может обеспечивать стабильное и достаточное питание, включая представление типичных электрокардиографических сигналов, измеряемых и подаваемых системой (рисунок).

4. Носимые термоэлектрические материалы

Традиционные носимые термоэлектрики, используемые для электрокардиографических систем, были изготовлены на основе жестких неорганических термоэлектрических материалов, таких как Bi ₂ Te ₃ , ^{[ ] 19} , ²⁹ , ^{31 год} , ^{54 ]} PbTe, ^{[ 55 ]} Half-Heusler, ^{[ 56 ]} и клатраты. ^{[ 57 год ]} В диапазоне низких температур (<500 K) значения zT для этих материалов обычно ниже единицы. ^{[ 14} , ²⁷ , ^{58 ]} Среди них Bi ₂ Te ₃ — ^{[ 31 год} , ⁵⁹ , ⁶⁰ , ^{61 ]} и Bi _0,5 Sb _1,5 Te _{3 на основе} ^{[ 62} , ⁶³ , ^{64 ]} материалы имеют zT при комнатной температуре, значения> 1 (, рис. ), и обладают подходящей эффективностью преобразования энергии для носимых электрокардиографических систем. ^{[ 16} , ²⁷ , ⁶⁵ , ⁶⁶ , ^] Однако жесткость этих материалов является серьезным препятствием, поскольку она значительно влияет на комфорт человека, носящего систему, и на связь устройства с источником тепла тела.

a) Зависимые от температуры ( T ) термоэлектрические безразмерные значения добротности ( zT ) для n-типа Bi ₂ Te ₃ ^{[ 59} , ⁶⁰ , ^{61 ]} и р-типа Bi _0.5 Sb _1,5 Te ₃ на основе ^{[ 62} , ⁶³ , ^{64 ]} термоэлектрические материалы. б) Фотография гибкой отдельно стоящей пленки из поли (3,4-этилендиокситиофена) / поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS), отслоившейся от подложки. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 90 ]} Авторские права 2017, Elsevier. c) Фотография PEDOT: термоэлектрический модуль на основе PSS с рисунком на ткани и соединенный проволокой из серебра.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 79 ]} Авторские права 2016, John Wiley and Sons. г) Сравнение удлинения при комнатной температуре α ‐Ag ₂ S и других материалов в зависимости от электропроводности ( σ ). Воспроизведено с разрешения. ^{[ 81 год ]} Copyright 2018, Nature. д) Кривые изгиба деформации-напряжения для синтезированного из расплава слитка Ag ₂ S и таблеток, спеченных в плазме искрового разряда (SPS-ed) Ag ₂ S, в сравнении с другими материалами, включая Ti ₃ SiC ₂ , керамику с оксидом иттрия -Стабилизированный диоксид циркония (YSZ) и интерметаллид TiAl.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 81 год ]} Copyright 2018, Nature. е) Взаимосвязь между гибкостью и zT системы Ag ₂ (S / Se / Te). Воспроизведено с разрешения. ^{[ 82 ]} Авторские права 2019, Королевское химическое общество. g) Схематическое изображение Ag ₂ S _0,5 Se _0,5 / Pt – Rh в плоском модуле, состоящем из Ag ₂ S _0,5 Se _0,5 в виде ножек n-типа и провода Pt – Ru. в качестве ножек p-типа и соответствующее оптическое изображение собранного модуля.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 82 ]} Авторские права 2019, Королевское химическое общество. h) Фотография и i) Изображение сечения квазипромышленных хлопьев графена, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, и соответствующий j) Схематическая диаграмма, показывающая производственный процесс. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 88 ]} Авторские права 2019, Elsevier. k) Принципиальная схема процесса легирования щеточным легированием углеродных нанотрубок (УНТ), полученных методом мокрого формования, составляющих термоэлектрический генератор.Воспроизведено с разрешения. ^{[ 89 ]} Авторские права 2019, Королевское химическое общество.

4.1. Гибкие термоэлектрические материалы

В последнее время, с развитием гибкой электроники, как органические, так и неорганические гибкие термоэлектрические материалы привлекают все большее внимание. Традиционные гибкие термоэлектрические материалы в основном представляют собой органические полимеры, такие как поли (3,4-этилендиокситиофен) / поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS). ^{[ 20 ]} Например, отдельно стоящая пленка PEDOT: PSS показана на Рис. Стол ^{[ 67} , ⁶⁸ , ⁶⁹ , ⁷⁰ , ⁷¹ , ⁷² , ⁷³ , ⁷⁴ , ⁷⁵ , ⁷⁶ , ⁷⁷ , ⁷⁸ , ⁷⁹ , ^{80 ]} обобщает термоэлектрические характеристики при комнатной температуре современных органических термоэлектрических материалов, включая PEDOT: PSS и тетрабутиламмоний (TBA). Как можно видеть, значение zT при комнатной температуре PEDOT: PSS p-типа может достигать 0.75. ^{[ 73 ]} Однако значение zT PEDOT: PSS при комнатной температуре ниже 0,2 в большинстве других отчетов. Более того, было проведено лишь ограниченное количество исследований гибких органических термоэлектрических материалов n-типа, и сообщалось, что одно из сообщенных значений zT для комнатной температуры достигает 0,23. ^{[ 75 ]} На рисунке показан гибкий термоэлектрический модуль на основе PEDOT: термоэлектрических материалов на основе PSS, который соединен проводами из серебра. ^{[ 79 ]} Гибкий термоэлектрический модуль в собранном виде может реализовать максимальную выходную мощность 8,5 нВт при Δ T 5,6 К. ^{[ 79 ]}

Таблица 1

Термоэлектрические характеристики при комнатной температуре современных органических термоэлектрических материалов, включая поли (3,4-этилендиокситиофен) / поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) и тетрабутиламмоний (TBA) ) На основе. MIm — это 1-метилимидазолий.ОСУНТ — это однослойные углеродные нанотрубки. TBA есть. ГК — линдан. УНТ — это углеродные нанотрубки. PANi — это полианилин. DWNT представляет собой нанотрубку с двойными стенками

925 ⁹²⁵

Материал	Год	Несущий тип	σ [См см −1 ]	S [мкВ K −1 ] при 300 K	S 2 σ [мкВт см −1 K −2 ]	κ [Вт · м −1 K −1 ]	zT	Арт.
ПЕДОТ: PSS + Te (90 мас.%)	2019	п.	200	84	1,42	—	—	[ 67 ]
PEDOT: PSS	2018	п.	2980	21,9	1,42	0,22	0,190	[ 68 ]
PEDOT: PSS + SiC	2018	п.	3113	20.3	1,28	0,23	0,17	[ 69 ]
PEDOT: PSS + 4: 1MIm (32 об.%)	2018	п.	520	17	0,15	—	—	[ 70 ]
PEDOT: PSS	2018	п.	2929	17,4	0.89	0,54	0,04	[ 71 ]
ПЕДОТ: PSS + SWCNT (60 мас.%)	2018	п.	530	44	1,03	0,26	0,12	[ 72 ]
PEDOT: PSS	2018	п.	1600	68	7,54	0.30	0,75	[ 73 ]
ПЕДОТ: PSS + SWCNT (74 мас.%)	2017	п.	3800	28	3,00	0,68	0,13	[ 74 ]
TiS 2 (TBA) 0,013 (HA) 0,019	2017	n	450	-140	8.82	1,15	0,23	[ 75 ]
ПЕДОТ: PSS + УНТ (50 мас.%)	2017	п.	2400	49	5,76	—	—	[ 76 ]
PEDOT: PSS	2017	п.	2170	39,2	3,34	—	—	[ 77 ]
ПЕДОТ: PSS + SnSe (20 мас.%)	2016	п.	3.86	0,36	0,32	[ 78 ]
PANi / графен ‐ PEDOT: PSS / PANi / DWNT ‐ PEDOT: PSS	2016	п.	1900	120	27,1	—	—	[ 79 ]
PEDOT: PSS	2013	п.	885	72	4.56	0,33	0,42	[ 80 ]

Недавно полностью неорганические гибкие термоэлектрические материалы также привлекли большой интерес после открытия гибких полупроводников Ag ₂ S. ^{[ 81 год} , ^] На рисунке показано сравнение удлинения различных материалов-кандидатов в зависимости от σ . Как показано, при комнатной температуре α ‐Ag ₂ S имеет промежуточное значение σ (демонстрирует полупроводниковые характеристики) и хорошее удлинение (более чем в десять раз выше, чем у традиционных полупроводников).На рисунке показаны кривые напряжение-деформация изгиба синтезированного из расплава слитка Ag ₂ S и таблеток Ag ₂ S, спеченных в плазме искрового разряда, в сравнении с другими материалами, включая Ti ₃ , SiC ₂ , керамику, оксид иттрия. стабилизированный диоксид циркония (YSZ) и интерметаллид TiAl. ^{[ 81 год ]} Как слиток, синтезированный напрямую, так и окатыши SPS-ed при комнатной температуре α -Ag ₂ S могут выдерживать инженерное напряжение до 12% без растрескивания, что намного больше, чем достижимое YSZ, Ti ₃ SiC ₂ и интерметаллид TiAl.Между тем, традиционные полупроводники или керамика очень хрупкие и могут выдерживать очень небольшой пластический изгиб до образования трещин. После соответствующей оптимизации значение zT при комнатной температуре для Ag ₂ S может приближаться к ≈0,4, что сопоставимо с таковыми для хрупких систем Ag ₂ Te и Ag ₂ Se (рисунок). На рисунке показан собранный модуль и соответствующая схематическая конструкция плоского модуля Ag ₂ S _0,5 Se _0,5 / Pt – Rh, где нормализованная максимальная плотность мощности может достигать нуля.08 Вт · м ⁻¹ при Δ T 20 K при комнатной температуре. ^{[ 82 ]} Это на порядок больше, чем у органических-неорганических гибридных термоэлектрических материалов и прототипов гибких модулей. ^{[ 82 ]}

Материалы на углеродной основе с высоким содержанием S ² σ , как недавно сообщалось, обладают хорошим потенциалом в качестве неорганических гибких термоэлектрических материалов. ^{[ 83} , ⁸⁴ , ⁸⁵ , ⁸⁶ , ^{87 ]} Графеновые хлопья (Рис.,) С высокой S ² σ 8,4 мкВт · см ⁻¹ K ⁻² при комнатной температуре может быть квазипромышленно получен путем отливки пленки (рисунок). ^{[ 88 ]} Химическая чистка щеткой также способна легировать углеродные волокна в собственные p-n-переходы, которые могут быть использованы в подходящей сборке термоэлектрического генератора, как схематично показано на рисунке. ^{[ 89 ]} Может быть получена максимальная плотность мощности 259 мкВт / г ^-1 при Δ T 20 К. ^{[ 89 ]}

4.2. Термоэлектрические покрытия на гибких тканях / волокнах

Термоэлектрические материалы на основе волокон также были разработаны для нанесения термоэлектрических материалов на ткани или волокна. ^{[ 91} , ⁹² , ⁹³ , ⁹⁴ , ^{95 ]} Термоэлектрические материалы на органической основе, в основном PEDOT: PSS, широко используются для покрытия полиэфирных волокон, ^{[ 96 ]} композитные волокна, ^{[ 97 ]} хлопчатобумажные ткани, ^{[ 98 ]} шелк, ^{[ 91 ]} и пряжа ^{[ 94 ]} и т. Д.Модифицированные ткани или волокна были затем собраны в прототип гибких термоэлектрических модулей для оценки η , и соответствующие характеристики были суммированы в таблице , которая показывает, что выходная мощность обычно находится в масштабе ≈10 нВт. ^{[ 91} , ⁹⁴ , ⁹⁶ , ^{99 ]} На рис. показаны фотография и изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, полиэфирной ткани с покрытием PEDOT: PSS, где напряжение может достигать нескольких мВ при Δ T ≈50–80 K после надлежащей конструкции модуля. ^{[ 96} , ^] Du et al. ^{[ 98 ]} соединил полоски ткани с покрытием PEDOT: PSS с проволоками Constantan и красками Ag, чтобы сформировать гибкий термоэлектрический модуль, как показано на рисунке,. Соответствующий V ₀ , а максимальная выходная электрическая мощность может достигать 18,7 мВ и 212,6 нВт при Δ T 74,3 K соответственно. ^{[ 98 ]} Кроме того, поли (3-гексилтиофен) (P3HT) и Ag также альтернативно наносят на хлопчатобумажные ткани для выработки электроэнергии, где напряжение может достигать нескольких мВ при мощности ≈1 мкВт. ^{[ 95 ]}

Таблица 2

Краткое описание прототипов термоэлектрических устройств на основе носимых термоэлектрических тканей. Δ T — разница температур между горячей и холодной сторонами. В ₀ — напряжение холостого хода. ПЕДОТ: ПСС представляет собой поли (3,4-этилендиокситиофен) / поли (стиролсульфонат). P3HT — это поли (3 ‐ гексилтиофен ‐ 2,5 ‐ диил)

Год	Устройства	p ‐ ножки	n ‐ ножки	Δ T	В 0	В 0 / Δ Т	Выходная мощность	Размер	Арт.
2015	Термоэлектрический генератор на основе полиэфирной ткани (покрытие из раствора).	PEDOT: полоски ткани с покрытием PSS	Серебряные проволоки	75,2 K	4,3 мВ	57 мкВ K −1	12,29 nW	Полоса ткани: 40 мм × 5 мм	[ 96 ]
2017	Термоэлектрический генератор на основе хлопчатобумажной ткани (покрытие из раствора).	PEDOT: хлопковые полоски с покрытием PSS	Проволоки Constantan	74,3 K	18,7 мВ	253 мкВ K −1	212,6 nW	Полоска ткани: 35 мм × 5 мм	[ 98 ]
2018	Пришитая хлопковая нить с термоэлектрическим покрытием (селективное покрытие).	P3HT	Серебряная паста	50 K	—	—	1,15 мкВт	Толщина ткани: 3 мм Хлопковая нить: длина 10 см, ширина 1 мм	[ 95 ]
2017	Термоэлектрический генератор на тканевой основе с трехмерной структурой (покрытие погружением).	PEDOT: нити с покрытием из композита PSS / углеродные нанотрубки	PEDOT: нити с покрытием из композитного PSS / углеродных нанотрубок	66 K	0,8 мВ	12 мкВ K −1	2,6 nW	Размер устройства: 6 см × 6 см × 7 мм	[ 94 ]
2016	Термоэлектрический генератор на основе шелковой ткани (повторное нанесение термоэлектрической пасты).	Sb 2 Te 3	Bi 2 Te 3	35 K	10 мВ	286 мкВ K −1	15 nW	Шелковая ткань: 4 см × 8 см	[ 91 ]
2014	Термоэлектрический генератор на основе стеклоткани (трафаретная печать).	Sb 2 Te 3	Bi 2 Te 3	50 K	90 мВ	1800 мкВ K −1	11,4 мВт	Размер устройства: 15 мм × 20 мм × 0,5 мм	[ 99 ]

a) Фотография и b) изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) полиэфирной ткани с покрытием из поли (3,4-этилендиокситиофена) / поли (стиролсульфоната) (PEDOT: PSS). Воспроизведено с разрешения. ^{[ 96 ]} Copyright 2015, Springer Nature. c) Принципиальная схема и d) Фотографии термоэлектрического генератора на основе хлопчатобумажной ткани с покрытием PEDOT: PSS, состоящего из пяти полосок, соединенных проводами Constantan. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 98 ]} Авторские права 2017 г., Королевское химическое общество. д) СЭМ-изображение самоорганизующейся термоэлектрической ткани из композитных наностержней Te и PVDF. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 100 ]} Авторское право 2015 г., Королевское химическое общество.е) Схематическое изображение процесса изготовления гибкого термоэлектрического генератора на основе стекловолокна. Воспроизведено с разрешения. ^{[ 99 ]} Авторское право 2015 г., Королевское химическое общество.

Неорганические термоэлектрические наноматериалы также можно наносить на пригодные для носки ткани. ^{[ 100 ]} Например, наностержни теллура были нанесены на гибкую матрицу из поливинилиденфторида (PVDF) (рисунок), где S может достигать значения ≈300 мкВ K ^-1 при комнатной температуре. ^{[ 100 ]} Кроме того, нейлон с нанокристаллическим покрытием n-типа Ag ₂ Te был объединен с нейлоном с покрытием PEDOT: PSS, чтобы сформировать гибкий модуль с выходной мощностью> 5 нВт при Δ T 20 К. ^{[ 101 ]} Аналогичным образом нанопроволоки Cu _1,75 Te были покрыты PVDF. ^{[ 102 ]} Кроме того, наноразмерный Bi ₂ Te ₃ / Sb ₂ Te ₃ также можно наносить на шелковые ткани с помощью вакуумной фильтрации / механического прессования / отжига, ^{[ 91 ]} и трафаретная печать. ^{[ 93 ]}

Правильная конструкция устройства может дополнительно повысить термоэлектрические характеристики собранных термоэлектрических генераторов на тканевой основе. На рисунке показан процесс изготовления гибкого термоэлектрического генератора на основе стекловолокна. Как показано на рисунке, тонкие и гибкие медные электроды могут быть изготовлены путем их печати на пластинах Ni (300 нм) / SiO ₂ (300 нм) / Si, где нанесенный распылением слой Ni является жертвенным слоем и может разделять завершенные термоэлектрические модули из кремниевых пластин из-за слабой адгезии между слоями Ni и SiO ₂ . ^{[ 99 ]} Тонкие и гибкие медные электроды необходимо подвергнуть дополнительному отжигу с целью кристаллизации и уплотнения. ^{[ 99 ]} Bi ₂ Te ₃ и Sb ₂ Te ₃ термоэлектрические точки могут быть нанесены трафаретной печатью на гибкую стеклоткань. ^{[ 99 ]} Медные электроды и термоэлектрические точки могут быть хорошо соединены пастой Ag после отжига, где дополнительный слой Ni может значительно снизить контактное сопротивление. ^{[ 99} , ^] Для отделения термоэлектрического модуля от кремниевой пластины и уменьшения потерь энергии из-за конвекции воздуха зазоры между медными электродами и термоэлектрическими точками дополнительно заполняли эластичным полидиметилсилоксаном (ПДМС) с использованием упрочняющего пресса. ^{[ 99 ]} Жидкоподобный PDMS может проникать в пористые медные электроды с трафаретной печатью из-за капиллярного действия и образовывать прочные связи с медными электродами. ^{[ 99} , ^] Собранный термоэлектрический генератор может быть легко отделен от пластин Si / SiO ₂ в воде из-за роста трещин на границе раздела Ni / SiO ₂ . ^{[ 99 ]} Слой Ni можно удалить травлением в смеси серной кислоты и перекиси водорода. Гибкий термоэлектрический генератор в собранном виде получается после этого заключительного этапа. ^{[ 99 ]} Такой генератор может производить выходную мощность 11,4 мВт при работе с Δ T 50 К. ^{[ 99 ]}

5. Выводы и перспективы

В этом обзоре систематически представлены и обсуждаются текущие исследования термоэлектрических генераторов энергии для применения в качестве источников питания в портативных системах электрокардиографического мониторинга.Выходная мощность термоэлектрических генераторов может быть стабилизирована и эффективно применена для питания переносных электрокардиографических систем с помощью надлежащей конструкции устройства. Использование гибких термоэлектрических генераторов со специальными гибкими радиаторами на полимерной основе может еще больше повысить выходную мощность. Однако текущие исследования термоэлектрических электрокардиографических систем по-прежнему сосредоточены на использовании традиционных жестких термоэлектрических материалов. Недавно сообщалось о многообещающем прогрессе в разработке гибких и носимых термоэлектрических устройств, включая как гибкие термоэлектрические материалы, так и волокна / ткани, покрытые термоэлектрическими материалами.Эти очень гибкие термоэлектрические материалы / волокна / ткани могут обеспечить лучшее включение термоэлектрических генераторов энергии в носимые электрокардиографические системы.

Есть три основных направления будущих исследований в этой области: 1) усовершенствованные процессы сборки и гибкие конструкции устройств с использованием недавно разработанных очень гибких термоэлектрических материалов, включая волокна / ткани, которые могут быть более легко включены в изношенные изделия; 2) сочетание гибких радиаторов на полимерной основе с различными гибкими переносными термоэлектрическими генераторами энергии для обеспечения более высокой выходной мощности; 3) разработка термоэлектрических генераторов на основе полимеров, легко обрабатываемых и легко покрываемых.

Таким образом, внедрение новых гибких термоэлектрических материалов наряду с правильными стратегиями проектирования обеспечит путь для обеспечения достаточной мощности от гибких термоэлектрических генераторов энергии для поддержки работы переносных систем электрокардиографического мониторинга.