Расчёт затрат на тепловую и электрическую энергию

Расчёт затрат на тепловую и электрическую энергию

Расчёт затрат на тепловую и электрическую энергию

На источниках и насосных станциях при выполнении поверочного расчёта определяются часовые затраты на тепловую, электрическую энергию и затраты на тепловые потери в трубопроводах. Результаты расчетов записываются в базу данных и выводятся в протокол расчёта. Стоимость энергоресурсов указывается пользователем, это может быть рубли или любая другая валюта.

Это позволяет при моделировании различных ситуаций сравнить экономические затраты на эксплуатацию.

Затраты на электроэнергию

Затраты на электроэнергию рассчитываются как произведение полезной мощности насоса (P) и стоимости электроэнергии, определяются по формуле:

Рисунок 157. Затраты на электроэнергию

, где G — расход воды, т/ч.

g — ускорение свободного падения, м/с².

H — напор развиваемый насосом (или располагаемый напор на источнике), м.

Cost_э — стоимость электроэнергии за 1 кВт (значение поля базы данных Затраты на электроэнергию , Costs_w).

Суммарные затраты на тепловую энергию

Определяются как произведение полей Суммарная тепловая нагрузка, Гкал/ч и Стоимость тепловой энергии.

Затраты на тепловые потери в трубопроводах

Определяются как произведение полей Тепловые потери в тепловых сетях, Гкал/ч и Стоимость тепловой энергии.

Расчет затрат

Для расчета затрат на тепловую и электроэнергию следует:

1. Добавить поля в БД. Для добавления полей в структуру слоя надо Обновить структуру таблиц.

2. В настройках расчетов на вкладке протокол расчёта включить опцию Вычислять затраты на тепло и электроэнергию.

3. Внести в поля на насосах исходные данные:

4. Внести в поля на источнике исходные данные:

   • Стоимость тепловой энергии (Cost_q) — указывается стоимость тепловой энергии.

   • Стоимость электроэнергии (Cost_w) — указывается стоимость электрической энергии.

5. Провести поверочный расчет.

Смотрите также:

Вопрос-ответ

Вопрос:

Кем и как устанавливаются тарифы на коммунальные услуги в Мурманской области?

Ответ:

В соответствии с жилищным законодательством население является потребителем коммунальных услуг. Государственное регулирование осуществляется не в отношении коммунальных услуг, а в отношении коммунальных ресурсов (тепловая энергия, электрическая энергия, питьевая вода, сточные воды, сжиженный газ, обращение с твердыми коммунальными отходами).

В дальнейшем, утвержденные тарифы на коммунальные ресурсы используются для расчета платы за коммунальные услуги в соответствии с Правилами предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов, утвержденных постановлением Правительства РФ от 06.05.2011 № 354.

Действующим законодательством определено, что тарифы на коммунальные ресурсы устанавливаются органом исполнительной власти субъектов Российской Федерации в области государственного регулирования цен (тарифов).

На территории Мурманской области тарифы на коммунальные ресурсы устанавливаются Комитетом по тарифному регулированию Мурманской области (далее — Комитет) в соответствии с Положением о Комитете,  утвержденным постановлением Правительства Мурманской области от 24.06.2015 № 265–ПП.

Тарифы на коммунальные ресурсы для ресурсоснабжающих организаций  устанавливаются Комитетом в соответствии с действующим законодательством, а именно:

— Федеральным законом от 27. 07.2010  № 190-ФЗ «О теплоснабжении»;

— Федеральным законом от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении»;

— Федеральным законом от 26.03.2003 № 35-ФЗ «Об электроэнергетике»;

— Федеральным законом от 24.06.1998 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления»;

— Федеральным законом от 31.03.1999 № 69-ФЗ «О газоснабжении в Российской Федерации».

Тарифы на коммунальные ресурсы устанавливаются в строгом соответствии с действующим федеральным и региональным законодательством, исключительно в параметрах индексов изменения размера вносимой гражданами платы за коммунальные услуги, утвержденных соответствующими распоряжениями Правительства Российской Федерации для Мурманской области.

Установление тарифов производится путем рассмотрения соответствующих дел об установлении тарифов в отношении каждой регулируемой организации. Для этого в соответствии с действующими нормативными документами Комитетом проводится экспертиза предложений.

Все принятые решения публикуются на официальном сайте Комитета в сети «Интернет».

Вопрос:

Почему отличаются (разнятся) тарифы на коммунальные ресурсы ресурсоснабжающих организаций даже по одному муниципальному образованию, а также по регионам?

Ответ:

Расчет тарифов на коммунальные ресурсы производится в соответствии с действующим законодательством о ценообразовании.

При установлении тарифов для каждой ресурсоснабжающей организации учитываются свои показатели: объем реализации, уровень энергоёмкости установленного оборудования, степень изношенности сетей и оборудования, условия использования оборудования, особенности технологического процесса производства и транспортировки коммунального ресурса до потребителя, заработная плата обслуживающего персонала, цены на топливо и сырье, цены, установленные на основании договоров, заключенных в результате проведения конкурсов, торгов, аукционов и иных закупочных процедур, обеспечивающих целевое и эффективное расходование денежных средств, обязательные платежи и налоги и т.

д., а также  базовый уровень тарифа, к которому применяется установленный предельный уровень роста тарифов.

Таким образом, размеры тарифов на коммунальные ресурсы могут отличаться по  ресурсоснабжающим организациям даже на территории одного муниципального образования, а тем более по регионам.

Вопрос:

В соответствии с Постановлением Комитета по тарифному регулированию Мурманской области тариф на питьевую воду в нашем населенном пункте увеличивается более чем на 10%. Вместе с тем, постановлением Губернатора Мурманской области установлен предельный индекс изменения платы за коммунальные услуги в нашем муниципальном образовании в размере 5,6 %. Прошу дать разъяснения о правомерности повышения Комитетом тарифов на холодное водоснабжение в размере большем, чем установленный постановлением Губернатора Мурманской области индекс изменения платы за коммунальные услуги.

Ответ:

Согласно статье 154 Жилищного кодекса Российской Федерации плата за коммунальные услуги включает в себя плату за холодную воду, водоотведение, горячую воду, электрическую энергию, тепловую энергию, газоснабжение, отопление, обращение с твердыми коммунальными отходами.    

Вместе с тем, следует учитывать, что:

— совокупная плата за коммунальные услуги – это сумма платежей за все коммунальные услуги;

— платеж за коммунальную услугу – произведение тарифа на коммунальный ресурс на объем потребленного коммунального ресурса, определяемого по показаниям приборов учета, либо по установленным нормативам;

— тариф на коммунальный ресурс отражает стоимость коммунального ресурса, выраженную в рублях, за единицу ресурса.

Таким образом, понятия «плата за коммунальные услуги» и «тариф на коммунальный ресурс» различны, и сравнение их роста некорректно, так как на совокупную плату граждан за коммунальные услуги влияет не только тариф на конкретный коммунальный ресурс. Так, рост платы граждан определяется с учетом одинакового набора коммунальных услуг в сопоставимых объемах потребления коммунальных ресурсов.

Комитет обращает внимание на то, что наибольший удельный вес в плате граждан за коммунальные услуги составляет тепловая энергия – более 70 %, доля платы за холодное водоснабжение – 3 %.

Принимая во внимание сдерживание роста тарифов на тепловую энергию, увеличение тарифов на услуги в сфере водоснабжения более чем на 10 % не приведет к превышению установленного Губернатором Мурманской области предельного индекса совокупной платы граждан за коммунальные услуги в размере 5,6 % в Вашем муниципалитете.

Вопрос:

Особенности платы за электрическую энергию для населения в домах с газовыми плитами и в домах, где установлены электрические плиты

Ответ:

Постановлениями Комитета устанавливаются цены (тарифы) на электрическую энергию для населения и приравненных к нему категорий потребителей с дифференциацией по домам, как с газовыми плитами, так и с электроплитами.

В соответствии с действующим законодательство в сфере тарифного регулирования при утверждении цен (тарифов) на электрическую энергию (мощность), поставляемую населению, проживающему в городских населенных пунктах в домах, оборудованных в установленном порядке стационарными электроплитами для пищеприготовления и (или) электроотопительными установками, а также для населения, проживающего в сельских населенных пунктах, в зависимости от региональных особенностей, социальных и экономических факторов, сложившихся в субъекте Российской Федерации, по решению органа исполнительной власти соответствующего субъекта Российской Федерации в области государственного регулирования тарифов применяются понижающие коэффициенты от 0,7 до 1.

Цены (тарифы) на коммунальные ресурсы, в том числе и на электрическую энергию, устанавливаются Комитетом в строгом соответствии с действующим федеральным и региональным законодательством, исключительно в пределах индексов изменения размера вносимой гражданами платы за коммунальные услуги в среднем по субъектам Российской Федерации, утвержденных соответствующими распоряжениями Правительства Российской Федерации для Мурманской области.

При этом важно отметить, что при установлении тарифов на коммунальные ресурсы, в том числе на электрическую энергию, Комитетом учитываются объемы потребления электрической энергии как в домах с электрическим плитами, так и в домах с газовыми плитами.

При установлении тарифов на электрическую энергию, Комитетом также учитывается структура платежей граждан за коммунальные услуги, с целью соблюдения баланса интересов потребителей, проживающих как в домах с газовыми плитами, так и в домах с электрическими плитами.

Комитет обращает внимание на то, что в домах с электрическим плитами среднемесячный объем потребления электрической энергии одним домохозяйством на 40 % выше, чем в домах с газовыми плитами.

Вопрос:

Как формируется плата за услуги горячего водоснабжения?

Ответ:

Согласно действующему законодательству Комитет по тарифному регулированию Мурманской области, уполномоченный на установление тарифов на коммунальные ресурсы, устанавливает двухкомпонентный тариф на ГВС, который состоит из:

— компонента на холодную воду или теплоноситель;

— компонент на тепловую энергию на подогрев холодной воды.

Количество тепловой энергии на подогрев одного кубического метра воды рассчитывается  исходя из нормативов, установленных приказом Министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Мурманской области от 22.12.2017 № 285 «Об утверждении нормативов расхода тепловой энергии на подогрев холодной воды для предоставления коммунальной услуги по горячему водоснабжению» (в редакции от 14.06.2019 № 127), а количество холодной воды для нужд горячего водоснабжения определяется по приборам учета, а в случае их отсутствия, исходя их норматива потребления.

Таким образом, размер платы за услуги ГВС формируется из двух составляющих:

—  расходы на холодную воду, которые определяются как произведение тарифа на холодную воду и количества холодной воды по приборам учета, а в случае их отсутствия, норматива потребления.

—  расходы на тепловую энергию для подогрева, которые определяются как произведение тарифа на тепловую энергию и количества тепловой энергии по приборам учета, а в случае их отсутствия, норматива потребления.

Вопрос:

Какие изменения произошли в сфере обращения с ТКО?

Ответ:

С 01.01.2019 к числу коммунальных услуг относится услуга по обращению с твердыми коммунальными отходами (далее – ТКО).

До указанной даты услуги по сбору, вывозу, захоронению (обезвреживанию) ТКО население Мурманской области оплачивало в составе платы за содержание и ремонт жилья в расчете на 1 кв.м. При этом регулированию подлежали только тарифы на захоронение и обезвреживание, а стоимость сбора и вывоза ТКО определялась транспортирующими организациями самостоятельно.

В связи с изменением законодательства с 01.01.2019 субъекты Российской Федерации перешли на новую систему обращения с ТКО, а именно на территории регионов определены региональные операторы по обращению с ТКО и установлены единые тарифы на услуги по обращению с ТКО.

Важно отметить, что новая коммунальная услуга является комплексной и включает в себя полный цикл обращения с отходами, начиная со сбора и вывоза отходов от мест накопления, и заканчивая их захоронением (обезвреживанием, утилизацией), за которую региональный оператор по обращению с ТКО несет полную ответственность.

Единый тариф на услугу регионального оператора по обращению с ТКО устанавливается за 1 м³. Плата за услуги по обращению с ТКО напрямую зависит от нормативов накопления отходов для каждой категории потребителей. На территории Мурманской области нормативы накопления ТКО утверждены постановлением Правительства Мурманской области от 03.05.2018 № 192-ПП/4 «Об утверждении нормативов накопления твердых коммунальных отходов на территории Мурманской области».

Начисление платы за ТКО для населения осуществляется в зависимости от количества человек, проживающих (зарегистрированных) в квартире (индивидуальном жилом доме).

При установлении  тарифа Комитет руководствуется нормами Федерального закона от 24.06.1998 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», постановления Правительства Российской Федерации от 30.05.2016 № 484 «О ценообразовании в области обращения с твердыми коммунальными отходами», приказа ФАС России от 21.11.2016 № 1638/16 «Об утверждении методических указаний по расчету регулируемых тарифов в области обращения с твердыми коммунальными отходами».

Вопрос:

Может ли садоводческое некоммерческое товарищество (далее – СНТ), гаражно-строительный кооператив (далее – ГСК), являющееся потребителем электроэнергии, установить для членов СНТ и ГСК  на общем собрании повышенный тариф за пользование электроэнергией с целью компенсации расходов на потери в сети и оплату уличного освещения?

Ответ:

Согласно Закону об электроэнергетике цены (тарифы) на электрическую энергию подлежат государственному регулированию. Государственному регулированию подлежат, в частности, цены (тарифы) на электрическую энергию, поставляемую населению и приравненным к нему категориям потребителей (в т.ч. СНТ и ГСК).

Таким образом, оплата потребленной электроэнергии членами СНТ и ГСК должна производиться по тарифам для населения и приравненных к нему категорий потребителей, установленным органами исполнительной власти субъектов РФ в области государственного регулирования тарифов. В Мурманской области таким органом является Комитет по тарифному регулированию Мурманской области.

В силу действующего законодательства члены товарищества обязаны своевременно уплачивать взносы, которые используются на расходы, связанные с содержанием имущества общего пользования товарищества, с осуществлением расчетов с организацией, осуществляющей снабжение электрической энергией.

Из приведенных норм видно, что содержание и обслуживание принадлежащих товариществу электрических сетей, составляющих имущество общего пользования, в том числе потери электроэнергии и уличное освещение, рассчитываются отдельно и оплачиваются из членских взносов.

В этой части размер взносов определяется общим собранием членов товариществом самостоятельно. В то же время расчеты с электроснабжающей организацией за потребленную электроэнергию осуществляются по тарифам, утвержденным органом исполнительной власти субъекта РФ в области государственного регулирования тарифов.

Таким образом, плата за электроэнергию для каждого члена СНТ или ГСК должна складываться из двух составляющих:

—  по личному счетчику согласно тарифу, установленному в регионе;

—  сумма, рассчитанная и утвержденная внутри СНТ или ГСК на покрытие потерь и содержание инфраструктуры, также по региональным тарифам.

 

Тепловая энергия окружающей среды — Vaillant

Альтернативные источники энергии становятся все более привлекательными. Одной из причин является постоянно растущие цены на традиционные виды топлива. Природа предлагает нам многочисленные возможности для экологически чистого и экономного производства теплой энергии.

Тепловые насосы используют энергию, которую природа дает нам бесплатно.

Тепловые насосы — использование энергии окружающей стреды

Земля, в частности, обладает гигантскими запасами энергии. В нескольких метрах ниже ее поверхности она сохраняет солнечное тепло. Из ядра Земли температуры величиной 6500 градусов Цельсия излучаются в ее внешние слои. Тепловые насосы используют геотермальное тепло или тепло грунтовых вод в зависимости от технологии. Энергия, накопленная в окружающем воздухе, также подходит для обогрева помещений и производства горячей воды. Тепловые насосы могут использовать эти ресурсы и, таким образом, существенно снижают затраты на производство тепловой энергии.

Не зависимо от того, какая технология используется, тепловые насосы эффективно работают даже при низких температурах окружающей среды. До 75 процентов ваших потребностей в тепловой энергии могут быть получены непосредственно из окружающей среды и бесплатно. Только 25 процентов должны быть добавлены в виде электрической энергии. В зависимости от технологии, тепловые насосы могут подключаться к трем различным источникам тепла

Преимущества использования тепла окружающей среды в качестве источника энергии:

• Отсутствие эмиссии СО2
• Неисчерпаемый источник энергии
• Независимость от поставщиков энергии
• Низкая стоимость отопления

Требования к использованию тепла окружающей среды:

• Большие радиаторы для низкотемпературной системы
• Хорошая изоляция здания

Геотермальная энергия

Тепловые насосы могут использовать энергию земли. Доставка энергии осуществляется двумя различными способами. Либо используется тепло, близкое к поверхности земли там, где температура одинакова почти круглый год. На поверхности земли на глубине 1,5 м устанавливается земляной коллектор в качестве нагревательного контура, который извлекает тело из земли.

Или же, возможна регенерация тепла с помощью малогабаритного геотермального зонда. Геотермическое тепло выводится с помощью специальных грунтовых зондов, которые заглублены до 100 метров в землю. Температура является постоянной в течение всего года и составляет примерно 10 °C, что достаточно для извлечения тепла.

Преимущество использования геотермального тепла:

Хорошее сбережение тепла: круглый год постоянные температуры 7-13 °C

Требования к использованию геотермального тепла:

• Большие площади земли с открытым доступом (земляной коллектор)
• Может требоваться разрешение

Атмосферный воздух как источник энергии

Тепловые насосы могут использовать для отопления окружающий воздух и запасенную в нем энергию. Наши современные тепловые насосы работают экономно и осуществляют нагрев даже при температуре наружного воздуха до -20 ° С.

Преимущества использования атмосферного воздуха:

• Отличная доступность из-за свободного доступа к источнику энергии без переоснащения
• Не требуется разрешения
• Самые низкие инвестиционные затраты
• Особенно подходит для модернизации

Требования к использованию атмосферного воздуха:

• Площадка для установки наружного блока

Грунтовые воды как источник энергии

Тепловые насосы могут извлекать тепловую энергию из грунтовых вод. Их температура постоянная независимо от времени года и внешней температуры. Для извлечения грунтовых вод необходим колодец.

Преимущества использования грунтовых вод:

• Высокая эффективность
• Хорошая аккумуляция тепла: в морозный зимний день поддерживается температура 7-12 °C

Требования к использованию грунтовых вод:

• Качество и количество грунтовых вод: грунтовая вода с низким содержанием минералов и извести

Наилучший источник энергии для ваших целей

То, какой источник энергии и, следовательно, какой тип тепловой насосной системы наилучшим образом подходит для вашего применения, зависит от многих факторов. Следует принять во внимание различные закупочные цены и эксплуатационные расходы.

Однако, отдельные типы тепловых насосов также отличаются друг от друга с точки зрения разрешений, продвижения и требований к зданию.

При выборе нужной системы обогрева стандартного решения не существует. Однако нетрудно найти ту систему, которая удовлетворяет вашим требованиям. Поговорите со специалистами-теплотехниками компании Vaillant. Они могут помочь вам в планировании оптимальной системы обогрева.

Условия, на которых осуществляется поставка тепловой энергии

Условия, на которых осуществляется поставка тепловой энергии

Условия, на которых осуществляется поставка регулируемых товаров и (или) оказание услуг

Поставка тепловой энергии в горячей воде (паре) и теплоносителя осуществляется на основании заключенных с потребителями договоров. Договоры заключаются на условиях, соответствующих требованиям действующего законодательства.

Заявление на присоединение ТС, ГВС для физ. лиц
Файл:  Загрузить

Заявление на присоединение ТС, ГВС для юр. лиц
Файл:  Загрузить

Типовой договор о подключении к сист. ГВС ОКЭ
Файл:  Загрузить

Типовой договор о подключении к сист. теплоснабжения ОКЭ
Файл:  Загрузить

График работы АО Облкоммунэнерго
Файл:  Загрузить

Типовые договоры поставки
Файл:  Загрузить

Перечень документов, предоставляемых с заявкой о подключении (Тепло,ГВС)
Файл:  Загрузить

Телефоны и адреса службы, ответственной за приём и обработку заявок о подключении
Файл:  Загрузить

Нормативно-правовые акты, регламентирующие взаимоотношения теплоснабжающей организации и потребителей тепловой энергии:

1. Гражданский кодекс РФ

2. Федеральные законы

Закон Российской Федерации от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании»
Файл:  Загрузить

Закон Российской Федерации от 2 мая 2006 г. № 59-ФЗ «О порядке рассмотрения обращений граждан Российской Федерации»
Файл:  Загрузить

Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ»
Файл:  Загрузить

Федеральный закон РФ от 27.07.2010 г. № 190-ФЗ «О теплоснабжении»
Файл:  Загрузить

3. Постановления Правительства РФ

• Постановление Правительства РФ от 25 ноября 2016 г. №1245 «О порядке ограничения подачи (поставки) и отбора газа, об изменении и признании утратившими силу некоторых актов Правительства Российской Федерации»
• Постановление Правительства Российской Федерации от 4 апреля 2000 г. № 294 «Об утверждении Порядка расчетов за электрическую, тепловую энергию и природный газ»;
• Постановление Правительства РФ от 17.10.2009г. № 816 «О внесении изменений в акты Правительства Российской Федерации в части совершенствования порядка расчетов за электрическую энергию (мощность), тепловую энергию и природный газ»;

•  Постановление Правительства РФ от 05.07.2018 N 787 «О подключении (технологическом присоединении) к системам теплоснабжения, недискриминационном доступе к услугам в сфере теплоснабжения, изменении и признании утратившими силу некоторых актов Правительства Российской Федерации».

4. Нормативно-техническая документация

• Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок (зарегистрированы Минюстом РФ № 4358 от 02.04.2003 г.).
  

• Правила учета отпуска тепловой энергии ПР 34-70-010-85 (раздел №5).
  

5. СНиПы, ГОСТы, СанПиН

СанПиН 2. 1.2.1188-03.

• СанПиН 2.2.2.542-96.

• СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

• СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» 

• Условия публичных договоров поставок тепловой энергии, оказания услуг в сфере теплоснабжения, в том числе договоров на подключение к системе теплоснабжения (Форма 7)
  Файл:  Загрузить
  

  
  

Тепловая энергия, потребление, использование теплоэнергии

1. Как используется теплоэнергия

Тепловая энергия – одна из форм энергии, которая образуется в результате движения частиц, составляющих предмет.

Сегодня в мире используются различные способы получения тепловой энергии:

• Сжигание органических расходных материалов
• Использование тепла грунта
• Использование солнечной теплоэнергии
• Получение тепла в результате естественных химических реакций
• Использование биореакторов

В случае со сжиганием органических материалов, тепловая энергии – один из продуктов процесса горения. Теплоэнергия, полученная таким образом, может преобразовываться в электроэнергию на специальных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и теплоэлектростанциях (ТЭС). Чаще всего в качестве расходного материала используется уголь или газ. Также могут использоваться в данных целях различные биомассы. Нефть практически не используется для получения тепловой энергии и преобразования её в электрическую. Традиционные способы получения теплоэнергии хоть и являются наиболее распространёнными, всё же активно критикуются в современном обществе. В основе критики находятся постулаты о необходимости бережного отношения к природе и недопустимости иссякания природных ресурсов.

Использование тепла непосредственно Земли – достаточно экологичный способ добычи теплоэнергии. Геотермальные источники бывают двух типов:

• Естественные
• Искусственные

В процессе получения теплоэнергии используются паровые турбины и иные тепловые машины.

Получение тепла от солнечных лучей не стало популярным в глобальных масштабах. Тем не менее, работы в данном направлении продолжают вестись, и инженеры активно сотрудничают с архитекторами и экологами при создании энергопроизводящих домов и иных сооружений.

Получение тепла в результате естественных химических реакций (гниение, брожение и пр.), а также получение тепловой энергии с помощью биореакторов тоже пока не получили значительной популярности в мире. Количество теплоты, получаемой в результате такого производства, крайне мало в сравнении с другими способами получения теплоэнергии.

Источником тепловой энергии является специальная энергоустановка. Для увеличения тепловой энергии может различным образом использоваться сила трения.

«Жизненный цикл» тепловой энергии выглядит следующим образом:

1. производство
2. передача
3. потребление

В случае, если тепловая энергия не перерабатывается в электрическую, она используется для следующих нужд:

• Отопление жилых и нежилых помещений
• Горячее водоснабжение

Единицей измерения теплоэнергии является гигакалория (Гкал).

Для расчёта тепловой энергии, используемой для нужд отопления, используется следующая формула:

Q = V * ( T1 – T2 ) / 1000

Q – количество теплоэнергии

V – количество использованной горячей воды (в кубах)

Т1 – температура горячей воды

Т2 – температура холодной воды

В Беларуси основным способом получения теплоэнергии является сжигание природных ископаемых, там не менее, ведутся активные работы по экологизации данной отрасли энергетики. Что касается использования геотермальных ресурсов, то потенциал Беларуси в данной области достаточно низок – термальные воды расположены глубоко, из температура недостаточно высока, зато высок уровень минерализации. Использование солнечных батарей в промышленных масштабах не представляется эффективной методикой из-за особенностей климата Беларуси и относительно небольшого количества солнечных дней в году.

Россети Урал — ОАО “МРСК Урала”

Согласие на обработку персональных данных

В соответствии с требованиями Федерального Закона от 27.07.2006 №152-ФЗ «О персональных данных» принимаю решение о предоставлении моих персональных данных и даю согласие на их обработку свободно, своей волей и в своем интересе.

Наименование и адрес оператора, получающего согласие субъекта на обработку его персональных данных:

ОАО «МРСК Урала», 620026, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 140 Телефон: 8-800-2200-220.

Цель обработки персональных данных:

Обеспечение выполнения уставной деятельности «МРСК Урала».

Перечень персональных данных, на обработку которых дается согласие субъекта персональных данных:

• — фамилия, имя, отчество;
• — место работы и должность;
• — электронная почта;
• — адрес;
• — номер контактного телефона.

Перечень действий с персональными данными, на совершение которых дается согласие:

Любое действие (операция) или совокупность действий (операций) с персональными данными, включая сбор, запись, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передачу, обезличивание, блокирование, удаление, уничтожение.

Персональные данные в ОАО «МРСК Урала» могут обрабатываться как на бумажных носителях, так и в электронном виде только в информационной системе персональных данных ОАО «МРСК Урала» согласно требованиям Положения о порядке обработки персональных данных контрагентов в ОАО «МРСК Урала», с которым я ознакомлен(а).

Согласие на обработку персональных данных вступает в силу со дня передачи мною в ОАО «МРСК Урала» моих персональных данных.

Согласие на обработку персональных данных может быть отозвано мной в письменной форме. В случае отзыва согласия на обработку персональных данных.

ОАО «МРСК Урала» вправе продолжить обработку персональных данных при наличии оснований, предусмотренных в п. 2-11 ч. 1 ст. 6 Федерального Закона от 27.07.2006 №152-ФЗ «О персональных данных».

Срок хранения моих персональных данных – 5 лет.

В случае отсутствия согласия субъекта персональных данных на обработку и хранение своих персональных данных ОАО «МРСК Урала» не имеет возможности принятия к рассмотрению заявлений (заявок).

Аналитика. Термоакустика: от науки к практике

28.01.13 12:31

В мире продолжается поиск альтернативных источников энергии. Можно ли каким-то образом воспользоваться звуковыми волнами для получения электричества? Этим вопросом задаются ученые в разных уголках планеты.

Заманчивая перспектива

Перспектива использования энергии звуковых волн для получения электричества кажется весьма заманчивой — достаточно представить, что различные шумы, которых в любом современном мегаполисе в избытке, стали одним из возобновляемых источников энергии. Не удивительно, что за рубежом сразу несколько исследовательских групп ищут пути, как воплотить эту идею в жизнь. Первые результаты есть, однако массовые коммерческие продукты на рынке пока не появились.

Часто опытные образцы такого рода генераторов в качестве ключевого элемента содержат пьезоэлектрический преобразователь, то есть устройство, способное конвертировать механическую энергию в электрическую и наоборот. В качестве пьезоэлектриков выступают кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии электрического поля.

Анализ появляющихся анонсов позволяет выделить два ключевых подхода к использованию звуковых волн для генерации энергии. Первый вариант — непосредственное преобразование шума (в этом случае речь идет, как правило, о достаточно громких звуках) или вибраций в электричество. Второй вариант — использование тепла (от различных источников) для получения звуковых волн, которые в свою очередь с помощью пьезоэлектрических преобразователей трансформируются в электроэнергию. Рассмотрим подробнее обе стратегии.

 

Эффективность MEMS TAR в зависимости от разности температур на горячем и холодном теплообменниках по материалам Fellows Research Group (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

От децибелов к киловаттам

На первый взгляд более простая концепция прямого преобразования оказывается на практике достаточно сложной с точки зрения достижения хорошего КПД генератора.

В 2009 г. в Японии в рамках проекта Sonea было выпущено устройство Sonic Energy Absorbing System. Его поглощающая панель собирает шумы и передает их на пьезоэлектрический преобразователь. Модуль (450 x 450 x 80 мм, вес 7 кг) может вырабатывать до 30 Вт мощности на один децибел. Таким образом, шум взлетающего самолета обеспечит выработку уже 240 кВт. Несмотря на привлекательность, идея по каким-то причинам широкого распространения не получила, и о проекте на сегодняшний день ничего не известно.

Спустя два года появилось сообщение, что ученые из университета Сунгкюнкан (Южная Корея) разработали генератор электроэнергии, работающий от звука. Действующий элемент установки — два электрода, соединенные нитями оксида цинка. Внешний шум вызывает вибрацию специальной мембраны, под ее воздействием сокращаются нити, а на электродах появляется напряжение.

По задумке создателей, описанная технология могла бы позволить заряжать мобильный телефон в процессе разговора или прослушивания музыки. Однако опытный образец не обеспечивал мощности, достаточной для зарядки телефона. О новых достижениях в исследовании на сегодня не сообщается.

В том же 2011 г. телекоммуникационный оператор Orange представил на молодежном музыкальном фестивале в Великобритании футболки, позволяющие заряжать мобильные телефоны во время концертов. В карман футболки вшивалась пьезоэлектрическая пленка, способная преобразовывать колебания звуковых волн в напряжение. И в данном случае устройство позиционировалось как прототип, и о коммерциализации проекта речь не шла.

«Сама по себе концепция использования акустического шума в качестве источника энергии — идея малоперспективная, — считает Геннадий Воротников, сотрудник кафедры «Автоматизированные системы энергетических установок» Самарского аэрокосмического университета. — Болевой порог звука в 130 дБ позволяет нам собирать лишь 10 Вт с 1 м?. Поэтому подобные разработки — скорее академическая задача, а ее решение коммерчески не востребовано».

 

Термоакустический двигатель на основе бегущей волны Бакхауса-Свифта – самый известный представитель термоакустических двигателей (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

О пользе вибраций

Близко к обозначенным выше стоят концепции, предлагающие использовать для генерации не шумы, а вибрацию. С точки зрения физического смысла звук и вибрация — тесно связанные понятия. Звук — это упругие волны, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде и создающие в ней механические колебания. А вибрация — это сами упругие механические колебания (деформации среды).

Воспользоваться их энергией для выработки электричества пытается группа исследователей из Университета Флориды во главе с Карлом Завоем (Karl Zawoy). Они работают над т.н. «еnergy harvesting system» – системой, накапливающей энергию от внешних источников для обеспечения питанием маленьких автономных электронных устройств, которая поглощает и сохраняет энергию, полученную от пьезоэлектрических преобразователей. Эти преобразователи предполагается размещать в покрытии пола или дорожном полотне и использовать для питания встроенного туда же оборудования (к примеру, осветительного). Под воздействием шагов или проезжающего транспорта устройство автоматически активируется и начинает запасать механическую энергию в форме вибрации или деформации. Вибрации преобразуются в электроэнергию, проходя через серию пьезоэлектрических слоев.

Встречаются сообщения и о других генераторах, использующих энергию вибраций. К примеру, в Японии есть пилотный проект железнодорожной станции, получающей энергию от движения проходящих пассажиров. Для этого в зоне турникетов в пол вмонтированы пьезо-элементы.

 

Звук, рожденный теплом

В рамках второй концепции речь идет скорее об утилизации рассеиваемого тепла, а не об использовании «шумового потенциала» современных городов. Здесь звуковые волны выступают своего рода «передаточным звеном», а не первоисточником энергии.

При данном подходе на плечи исследователей ложится решение уже двух задач: обеспечить преобразование тепловой энергии в звуковые волны и преобразовать механическую энергию звуковых волн в электрическую. 

Теоретической базой для разработок служит термоакустика — раздел физики на стыке термодинамики и акустики.

«Термоакустика очень молодая наука, — рассказывает Геннадий Воротников. — Хотя первые записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом еще в 1777 г., как самостоятельная дисциплина термоакустика возникла в конце 70-х – начале 80-х гг. ХХ века. Тогда вышла в свет работа швейцарского математика Никалауса Ротта «Термоакустика», которая описала процессы, протекающие в газе вблизи твердой стенки в случае акустических колебаний. Затем появилась статья американского теплофизика Грэга Свифта «Термоакустические установки», в которой уравнения Ротта были обобщены для создания термоакустических устройств.

За последние годы термоакустика шагнула вперед, начались разработки во многих областях техники. Причем энергетика, как ни странно, — отнюдь не первостепенная задача термоакустики. Эта дисциплина оказалась наиболее востребованной в криогенной технике».

 

Экспериментальная модель терморезонансного акустического электрогенератора (TAR) производства Fellows Research Group с рабочей частотой 1200 Гц (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

Термоакустический генератор купить пока сложно, поэтому для энергоснабжения на удаленном объекте, как правило, приходится использовать проверенные источники тока — бензиновые генераторы. Разработано множество моделей: синхронные и асинхронные, с автозапуском, на различное выходное напряжение.

Устройство генератора

Как поясняет Г. Воротников, термоакустические генераторы состоят из двух основных узлов: термоакустического двигателя, который преобразует тепловую энергию внешнего источника в энергию акустической волны, и электрического преобразователя, который эту самую акустическую энергию трансформирует уже в электрическую.

Электрические преобразователи могут быть самыми разными и описания большинства из них можно найти в учебниках, но на практике наибольшее распространение в ТАЭГ получили электродинамические преобразователи из-за относительно высокого КПД (до 87%) и относительно высоких токов (что облегчает их прямое использование).

Термоакустический двигатель работает на основе принципа Рэлея, который гласит: «Если к газу в момент наибольшего сжатия подвести тепло, а в момент наибольшего разряжения тепло отобрать, то это усиливает колебания». Порция газа в регенераторе, совершает два вида колебаний. Во-первых, она периодически расширяется и сжимается. Во-вторых, она колеблется относительно нейтрали, оказываясь в крайних точках траектории то в горячей, то в холодной области. Импеданс волноводов настроен таким образом, что порция в момент расширения находится в горячей области и получает тепло, а во время сжатия находится в холодной области и тепло отдает. Это увеличивает амплитуду колебания, или попросту, энергию акустической волны.

Эффективность термоакустического двигателя, как и любого теплового, определяется перепадом температур на горячем и холодном теплообменниках и ограничивается сверху эффективностью цикла Карно.

В волноводах термоакустических двигателей плотность энергетического потока на несколько порядков выше, чем повседневно слышимый нами звук, 100-1000 кВт/м? (180-190 дБ).

Теоретически ресурс термоакустического двигателя неограничен, так как прибор не имеет подвижных механических частей, но на практике его ресурс ограничивается ползучестью конструкционных материалов (при эксплуатации на чрезмерно высоких температурах). Поэтому ресурс ТАЭГ в целом ограничивается ресурсом электрического преобразователя. С изобретением в начале нынешнего века оксфордской подвески для линейных электродинамических генераторов ресурс ТАЭГ достиг 100 000 часов.

 

Схема устройства MEMS TAR производства Fellows Research Group (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

Будет ли ТАЭГ в России?

Работы в области термоакустики ведутся преимущественно на Западе, российская же наука пока о каких-либо исследованиях в этой сфере не сообщает. Почему? На ум пришло, что в свое время СССР, а сейчас Россия лидирует на мировом рынке термоэлектрогенераторов (ТЭГ). Это похожие по функциям и сферам применения компактные устройства, но напрямую преобразующие тепловую энергию в электрическую (см. публикацию EnergyLand.info «Термоэлектричество в быту и на орбите»). Может быть, при наших успехах в области ТЭГ, термоакустика нам просто не интересна, как вчерашний день науки? Однако эксперт вскрыл полную несостоятельность такого предположения.

«Начнем с того, что ТЭГ и ТАЭГ — это принципиально разные устройства, — поясняет Геннадий Воротников. — Причем термоакустический генератор имеет КПД в несколько раз выше, чем ТЭГ. Простейшие ТАЭГ, работающие на сжигаемом мусоре, имеют КПД 15-20%. А так называемые продукты высоких технологий достигают на этих температурах КПД в 1,5 раза выше. [Максимальный КПД ТЭГ — всего 8 %, — прим.ред.]. Что же касается ближайших аналогов, то это электрогенераторы на основе механических двигателей Стирлинга. Они наиболее приближены к ТАЭГ и по термодинамическому циклу, и по КПД, и по режиму работы».

«Причины отставания отечественных разработок совсем в другом, — продолжает Г. Воротников. — Эра массового создания термоакустических устройств началась в конце 80-х гг. В этот временной период в силу объективных причин всем нам было не до науки. Кроме того, термоакустика требует подготовки специалистов новой категории, которым был бы хорошо понятен и математический аппарат акустики, и энергетические категории термодинамики, и теория пограничного слоя. Для этого нужна школа. Тем не менее, работы в этом направлении понемногу ведутся в Омске, Санкт-Петербурге, Самаре. Не хочу опережать события, но надеюсь, что в следующем году Самарский аэрокосмический университет порадует нас испытаниями такого устройства».

Зарубежные же исследователи уже сегодня достигли результатов, которые вселяют уверенность, что термоакустические генераторы в обозримом будущем получат распространение и будут пользоваться спросом, причем не только для бытового применения, но и для нужд армии и даже использования в космосе.

 

Модули Sonic Energy Absorbing System, преобразующие звук в электроэнергию

 

Генератор на службе

Так, исследования Ореста Симко (Orest Symko) и его коллег из Университета Юты (США) спонсируются американской армией. Один из образцов, созданный учеными, представляет собой стеклянную трубку-резонатор. Источником тепла служит газовая горелка. Нагрев изменяет давление газа в трубке, в результате возникает акустическая волна, воздействующая на пьезоэлектрический элемент. Военные считают, что подобные устройства можно использовать для утилизации тепла, выделяемого радарами или сложной интегральной техникой.

Та же группа исследователей разработала продукт для гражданского применения — термоакустический кулер для процессоров персональных компьютеров. Такой охлаждающий элемент поглощает тепло, выделяемое чипом при работе. Горячий воздух вызывает колебания резонатора, а образующийся звук трансформируется в электричество.

Об интересном устройстве, заменяющем генератор, печь и холодильник — SCORE (Stove for Cooking, Refrigeration and Electricity), еще в 2007 г. сообщал портал Membrana со ссылкой на университет Ноттингема (Великобритания). Продукт ориентирован на бытовое применение в странах третьего мира.

«В SCORE — два блока тонких трубок, герметично закрытых и наполненных газом, соединяющих попарно четыре теплообменника. Один из блоков получает тепло от печки и преобразовывает его в колебания: нагрев и охлаждение разных концов трубок вызывает резонанс газа внутри. Эти колебания передаются во второй блок, который работает как холодильник — он забирает тепло от холодильной камеры и отдает его окружающему воздуху, который тут же направляется в печь для поддержания горения. А между этими двумя блоками в SCORE встроен генератор электричества, питающийся за счет части энергии акустических колебаний».

 

Для домашней когенерации

Исследованиями по термоакустике занимается и компания Etalim Inc (Канада). «Etalim разрабатывает инновационный термоакустический механизм, называемый TAC, пояснил специалист компании Рон Клопфер (Ron Klopfer). — Модуль размером с баскетбольный мяч способен вырабатывать мощность до 5 кВт, используя любое топливо или источник тепла. По своей сути прибор очень прост и дешев в изготовлении, он не требует техобслуживания, а срок его эксплуатации свыше 40 лет. TAC не имеет подвижных деталей, за исключением стального преобразователя, вибрирующего на месте с частотой 500 Гц и длиной хода 200 мм и не имеющего пределов усталости.

В основе работы устройства лежат принципы термоакустической физики. Пионер в этой области — Национальная лаборатория в Лос-Аламос (США). TAC использует высокую температуру, чтобы усиливать резонансные акустические волны и затем преобразовывать колебания газа в механические вибрации, которые позволяют генерировать электричество».

В канадской компании считают, что Etalim TAC, главным образом, найдет применение в домашних когенерационных установках, рынок которых сейчас бурно развивается в Евросоюзе. Кроме того, устройство может использоваться для утилизации рассеивающегося тепла в промышленности и на транспорте, для повышения эффективности солнечных концентраторов.

«Проект будет коммерциализован в 2014 г., — добавляет Рон Клопфер, — Стоимость электричества, вырабатываемого Etalim TAC, будет весьма приемлемой — около 500 $ за кВт. Мы не видим каких-либо препятствий для широкого распространения данной технологии».

 

ТАЭГ пробьет себе дорогу

«На мой взгляд, наиболее перспективны в будущем будут микроэлектромеханические терморезонансные акустические системы (MEMS TAR), — считает Геннадий Воротников. — Работы над ними ведутся в США уже 8 лет, и последние 5 лет материалы по этим системам в открытой печати не появляются. Это термоакустические преобразователи размером от 2 мм. Изготовляются они по технологии микрочипов, имеют очень высокую энергетическую плотность в каналах и работают на килогерцовых частотах, что позволяет им достигать КПД до 77% относительно цикла Карно. Внутри они представляют собой все тот же термоакустический двигатель с электропреобразователем. Конечно, есть там и свои особенности. К сожалению, нам такие технологии пока недоступны.

В целом у термоакустических генераторов, безусловно, есть шансы стать коммерчески интересным продуктом. На сегодняшний день это одни из самых эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Ресурс их эксплуатации очень высок. Пока высшие достижения в этой области будут служить космосу и милитаристским целям развитых стран. Однако в обозримом будущем высокие технологии пробьют дорогу и в наш быт».

Так что в ближайшей перспективе всерьез можно говорить только о применении генераторов, в основе работы которых лежат принципы термоакустики. Генераторы же, использующие звуки окружающего пространства для производства электроэнергии, на сегодняшний день остаются скорее экзотикой, нежели реально эффективным устройством. Впрочем, техническая мысль не стоит на месте. Может быть, со временем будет найден способ обратить на пользу индустриальный шум, так утомляющий слух современного человека.

 

Кира Патракова

На первой фото: прототип термоакустического электрогенератора производства Northrop Grumman Space and Technology. Использовался на борту «Шатла» в 1999 г. в качестве вспомогательной энергетической установки. Самый большой цилиндр (средняя часть) – пара оппозитных линейных генераторов. Крайний справа в замкнутом волноводе – радиоизотопный источник. КПД установки до 32 %. Максимальная мощность 200 Вт (фото предоставлено Г. Воротниковым)

(С) Медиапортал сообщества ТЭК www.EnergyLand.info
Копирование возможно только для платных подписчиков
 

Читайте также:

Для преобразования тепла в электричество: Ученые

фото: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого посмотреть еще

Кредит: ул. Петра Великого.Петербургский политехнический университет

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) совместно с промышленным партнером разработали термоэлектрический генератор нового поколения, который в десять раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Конечный продукт будет реализован промышленным партнером в конце 2021 года. Проект реализуется в рамках программы Исследовательского центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» СПбПУ.

Термоэлектрический генератор — это устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую. Эта тема очень важна, особенно в связи с глобальной тенденцией к декарбонизации. Ученые СПбПУ разработали концепцию генератора на основе сложной углеродной наноструктуры. В процессе нагрева происходят квантово-электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.

«Мы нагреваем конструкцию, которая создана определенным образом и имеет сложную стехиометрию. За счет нагрева запускается взаимодействие электронной подсистемы и структурной решетки.В результате созданная нами углеродная наноструктура начинает генерировать электроны. В результате такого квантово-физического взаимодействия при тепловом воздействии возникает электрический ток », — отмечает Ольга Кващенкина, директор Научно-технического центра« Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности »(Исследовательский центр мирового уровня« Advanced digital технологии »СПбПУ).

Группа исследователей завершила теоретические исследования эффективности устройства. Ученые создали цифровую модель и провели цифровые испытания, что значительно сократило время разработки технологии.Затем результаты моделирования были проверены в ходе экспериментов, проведенных с использованием атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипа оборудования. Устройство имеет небольшие размеры (5х2 миллиметра, высота 1 миллиметр).

«Использование термоэлектрического генератора имеет решающее значение не только в быту, но и в промышленности. Например, на нагретой до 1500 градусов поверхности газотурбинного двигателя ставится устройство, и это тепло, превращаясь в электрическую энергию, передается на датчики, предназначенные для контроля состояния этого двигателя », — отметила Ольга Квашенкина.Эксперт добавил: «Что касается домашнего использования, то сейчас мы работаем над тем, чтобы наша разработка могла заряжать устройства с низким энергопотреблением, такие как электронные часы, системы полива для комнатных растений и аналогичные устройства. В будущем мы будем стремиться создать портативные термоэлектрические зарядные устройства для мобильных телефонов ».

По мнению ученых, тепла от системы центрального отопления будет достаточно для выработки тока, достаточного для зарядки бытовой техники. Предполагается, что рядом с системой отопления следует установить термоэлектрический генератор, а полученная электроэнергия будет передаваться на электропроводку и заряжать небольшие устройства.Благодаря небольшим размерам устройство может быть портативным. Одним из ключевых моментов является безопасность этой системы как для пользователя, так и для электронного оборудования, подключенного к этому устройству.

Система предназначена для работы при очень высоких температурах, так как созданная углеродная наноструктура чрезвычайно термостойкая. Это несомненный плюс для использования устройства в промышленности. Кроме того, при необходимости огнеупорный корпус устройства может быть разработан для промышленного применения. Для бытового использования температура системы отопления помещения будет достаточной, чтобы устройство вырабатывало электроэнергию, особых требований к материалам корпуса устройства не потребуется, следовательно, устройство можно сделать экономически доступным для рядовых потребителей.

Сейчас ученые готовят два патента на изобретения.

---

---

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Превращение тепловой энергии в электричество — ScienceDaily

С добавлением датчиков и усовершенствованных средств связи обеспечение легкого портативного источника питания стало еще более сложной задачей.Исследования, финансируемые армией, продемонстрировали новый подход к превращению тепловой энергии в электричество, который может обеспечить компактную и эффективную энергию для солдат на полях сражений будущего.

Горячие объекты излучают свет в виде фотонов в свое окружение. Излучаемые фотоны могут быть захвачены фотоэлектрическим элементом и преобразованы в полезную электрическую энергию. Этот подход к преобразованию энергии называется термофотоэлектрическими элементами в дальней зоне или FF-TPV, и он находится в стадии разработки в течение многих лет; однако он страдает низкой удельной мощностью и, следовательно, требует высоких рабочих температур эмиттера.

Исследование, проведенное в Мичиганском университете и опубликованное в журнале Nature Communications , демонстрирует новый подход, в котором расстояние между эмиттером и фотоэлектрическим элементом уменьшено до наномасштаба, что обеспечивает гораздо большую выходную мощность, чем то, что возможно с FF. -TPV для той же температуры эмиттера.

Этот подход, который позволяет улавливать энергию, которая в противном случае улавливается в ближнем поле эмиттера, называется термофотоэлектрическим элементом ближнего поля или NF-TPV, и использует изготовленные на заказ фотоэлектрические элементы и конструкции излучателя, идеально подходящие для условий работы в ближнем поле.

Этот метод продемонстрировал плотность мощности почти на порядок выше, чем у наиболее известных систем TPV ближнего поля, а также работал с шестикратно более высокой эффективностью, прокладывая путь для будущих приложений TPV ближнего поля, согласно доктору Эдгару Мейхоферу, профессору машиностроения Мичиганского университета.

«Армия использует большое количество энергии во время развертывания и операций на поле боя, и ее должен нести Солдат или система с ограниченным весом», — сказал д-р.Майк Уэйтс, Исследовательская лаборатория армии США по развитию боевых возможностей. «В случае успеха в будущем TPV ближнего действия могут служить более компактными и более эффективными источниками питания для солдат, поскольку эти устройства могут работать при более низких рабочих температурах, чем обычные TPV».

Эффективность TPV-устройства характеризуется тем, какая часть полной передачи энергии между эмиттером и фотоэлектрическим элементом используется для возбуждения электронно-дырочных пар в фотоэлектрическом элементе.В то время как повышение температуры эмиттера увеличивает количество фотонов выше запрещенной зоны ячейки, количество фотонов малой запрещенной зоны, которые могут нагревать фотоэлектрический элемент, необходимо минимизировать.

«Это было достигнуто путем изготовления тонкопленочных ячеек TPV с ультраплоскими поверхностями и с металлическим задним отражателем», — сказал доктор Стивен Форрест, профессор электротехники и компьютерной инженерии Мичиганского университета. «Фотоны выше запрещенной зоны ячейки эффективно поглощаются в полупроводнике микронной толщины, тогда как фотоны ниже запрещенной зоны отражаются обратно в кремниевый эмиттер и рециркулируют.«

Команда вырастила тонкопленочные фотоэлектрические элементы из арсенида индия-галлия на толстых полупроводниковых подложках, а затем сняла очень тонкую полупроводниковую активную область элемента и перенесла ее на кремниевую подложку.

Все эти нововведения в конструкции устройства и экспериментальном подходе привели к созданию новой системы TPV ближнего поля.

«Команда достигла рекордной выходной мощности ~ 5 кВт / м2, что на порядок больше, чем у систем, о которых ранее сообщалось в литературе», — сказал д-р.Прамод Редди, профессор машиностроения, Мичиганский университет.

Исследователи также выполнили современные теоретические расчеты для оценки производительности фотоэлектрического элемента при каждой температуре и размере зазора и показали хорошее соответствие между экспериментами и расчетными прогнозами.

«Эта текущая демонстрация соответствует теоретическим предсказаниям радиационной теплопередачи в наномасштабе и напрямую показывает потенциал для разработки будущих устройств TPV ближнего поля для армейских приложений в области энергетики, связи и датчиков», — сказал д-р.Пани Варанаси, менеджер программы DEVCOM ARL, которая финансировала эту работу.

Гибкие термоэлектрические генераторы могут быть полезным способом сделать углерод «зеленым» — ScienceDaily

Невидимые маленькие углеродные нанотрубки, выровненные как волокна и вшитые в ткани, становятся термоэлектрическим генератором, который может преобразовывать тепло солнца или других источников в другие формы энергии.

Лаборатория физика Университета Райса Дзюнъитиро Коно вместе с учеными из Токийского столичного университета и Углеродного концентратора на базе Райса совместно с учеными из Райса разработала волокна из нанотрубок и проверила их потенциал для крупномасштабных приложений.

Их мелкомасштабные эксперименты привели к созданию усиленной волокном гибкой хлопчатобумажной ткани, которая превращала тепловую энергию в электрическую энергию, достаточную для питания светодиода. По их словам, при дальнейшем развитии такие материалы могут стать строительными блоками для волоконной и текстильной электроники и сбора энергии.

Те же волокна из нанотрубок можно также использовать в качестве радиаторов для активного охлаждения чувствительной электроники с высокой эффективностью.

Статья о проекте опубликована в журнале Nature Communications.

Эффект кажется простым: если одна сторона термоэлектрического материала более горячая, чем другая, она производит полезную энергию. Тепло может исходить от солнца или других устройств, таких как конфорки, использованные в эксперименте с тканью. И наоборот, добавление энергии может побудить материал охладить более горячую сторону.

До сих пор ни одна макроскопическая сборка наноматериалов не показывала необходимый «гигантский коэффициент мощности», около 14 милливатт на метр в квадрате Кельвина, который исследователи Райса измерили в волокнах углеродных нанотрубок.

«Коэффициент мощности показывает, какую удельную мощность можно получить из материала при определенной разнице температур и температурном градиенте», — сказала аспирантка Райс Нацуми Комацу, ведущий автор статьи. Она отметила, что коэффициент мощности материала — это комбинированный эффект от его электропроводности и того, что известно как коэффициент Зеебека, мера его способности преобразовывать тепловые различия в электричество.

«Сверхвысокая электропроводность этого волокна была одним из ключевых атрибутов», — сказал Komatsu.

Источник этой сверхмощи также связан с настройкой внутренней энергии Ферми нанотрубок, свойства, которое определяет электрохимический потенциал. Исследователи смогли контролировать энергию Ферми, химически легируя нанотрубки, из которых изготовлены волокна в лаборатории Райса соавтора, инженера-химика и биомолекулярника Маттео Паскуали, что позволило им настроить электронные свойства волокон.

Хотя протестированные волокна были разрезаны на сантиметровые отрезки, Komatsu заявила, что нет никаких причин, по которым устройства не могут использовать превосходные волокна нанотрубок из лаборатории Паскуали, которые намотаны на непрерывные отрезки.«Независимо от того, где вы их измеряете, они обладают такой же очень высокой электропроводностью», — сказала она. «Кусок, который я измерил, был маленьким только потому, что моя установка не способна измерять 50 метров волокна».

Паскуали — директор компании Carbon Hub, которая способствует расширению разработки углеродных материалов и водорода, что также коренным образом меняет то, как мир использует ископаемые углеводороды.

«Волокна из углеродных нанотрубок находятся на устойчивом пути роста и доказывают свои преимущества во все большем количестве применений», — сказал он.«Вместо того, чтобы тратить углерод впустую, сжигая его в углекислый газ, мы можем исправить его как полезные материалы, которые принесут дополнительные экологические выгоды при производстве и транспортировке электроэнергии».

Еще неизвестно, приведет ли новое исследование к солнечной панели, которую можно использовать в стиральной машине, но Коно согласился, что у этой технологии большой и разнообразный потенциал.

«Нанотрубки существуют уже 30 лет, и с научной точки зрения известно многое», — сказал он. «Но для создания реальных устройств нам нужны макроскопически упорядоченные или кристаллические сборки.Это типы образцов нанотрубок, которые группа Маттео и моя группа могут изготовить, и есть много-много возможностей для применения ».

Соавторами статьи являются аспиранты Райс Оливер Дьюи, Лорен Тейлор и Митчелл Траффорд и Джефф Вемейер, доцент кафедры машиностроения; и Йота Ичиносе, профессор Йохей Йомогида, и профессор Казухиро Янаги из Токийского столичного университета.

Коно — профессор инженерных наук имени Карла Ф. Хассельмана и профессор электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии.Паскуали — это А.Дж. Хартсук, профессор химической и биомолекулярной инженерии, а также профессор химии, материаловедения и наноинженерии.

Программа Министерства энергетики по фундаментальной энергетике, Национальный научный фонд, Фонд Роберта А. Уэлча, Японское общество содействия науке, ВВС США и Министерство обороны поддержали исследование.

Из электрической энергии в тепловую

Как вы думаете, что произойдет, если поместить электрический стержень в стакан с водой? Через некоторое время вода нагреется.Электрическая энергия преобразуется в тепловую. Но как? Через стержень проходит напряжение, и в его проводе генерируется ток. Электроны, сталкиваясь с атомами в проводе, передают энергию от движущихся электронов металлической решетке в проводе. Атомы этой металлической решетки колеблются из-за дополнительного увеличения этой энергии. И они вибрируют все больше и больше по мере того, как получают энергию и вырабатывается тепловая энергия.

Что такое преобразование электрической энергии в тепловую?

Как следует из названия, преобразование электрической энергии в тепловую — это не что иное, как преобразование одной формы энергии в другую.

Если на входе устройство поступает в виде электрической энергии, а на выходе оно выделяется в виде тепла, то здесь происходит преобразование.

Пример 1: для преобразования электрической энергии в тепловую:

Преобразование энергии легко пояснить на простом примере. Вы даже можете попробовать это у себя дома. Просто возьмите электрическую лампочку и включите ее в розетку. Теперь включите свет на 5-10 мин. Теперь выключите свет и коснитесь электрической лампочки, вы почувствуете тепло в электрической лампочке.Это потому, что электрическая энергия преобразуется в тепловую, а световую — в электрическую лампочку.

Пример 2: для преобразования электрической энергии в тепловую:

А теперь возьмем змеевиковый нагреватель. Возьмите ведро с холодной водой, и вы даже можете проверить ее температуру с помощью термометра. Теперь включите розетку змеевика на 10 мин. Теперь отключите розетку и проверьте температуру воды в ведре. На градуснике видно повышение температуры. Вопрос в том, как повышается температура ?? Это связано с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Как электрическая энергия преобразуется в тепловую

Электрический нагрев — это любой процесс, при котором электрическая энергия преобразуется в тепло. Общие области применения включают отопление помещений, приготовление пищи, водонагревание и промышленные процессы.

Электронагреватель — это электрический прибор, преобразующий электрическую энергию в тепло. Нагревательный элемент внутри каждого электрического нагревателя представляет собой просто электрический резистор и работает по принципу джоулева нагрева: электрический ток через резистор преобразует электрическую энергию в тепловую.В большинстве современных электронагревательных приборов в качестве активного элемента используется нихромовая проволока. В нагревательном элементе, изображенном справа, используется нихромовая проволока, поддерживаемая термостойкой, огнеупорной, электроизоляционной керамикой.

Примеры преобразования электрической энергии в тепловую:

• Радиационные обогреватели
• Конвекционные обогреватели
• Тепловентиляторы
• Система освещения
• Тепловые насосы
• Микроволновая печь

Что следует помнить

• Преобразование энергии происходит, если энергия переходит из одной формы в другую
• Если на входе устройство поступает в виде электрической энергии, а на выходе оно выделяется в виде тепла, то здесь происходит преобразование.
• Электрическая лампочка — один из примеров преобразования электрической энергии в тепловую

Электроэнергия прочие

Преобразование форм энергии — 4 класс естественных наук

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или больше ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам Varsity найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему утверждению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Преобразование энергии — Банк знаний

Диаграмма, показывающая, как разные формы энергии могут быть преобразованы в другую форму энергии.

Преобразование энергии: передача и преобразование

Передача энергии — это перемещение энергии из одного места в другое . Например, когда электричество проходит от сетевой розетки через зарядное устройство к батарее.

Преобразование энергии — это когда энергии переходит из одной формы в другую. — как в плотине гидроэлектростанции, которая преобразует кинетическую энергию воды в электрическую.

Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общее количество энергии не меняется — это называется энергосбережения .

Электрическая энергия передается из настенной розетки по кабелю и хранится в батарее телефона до тех пор, пока не будет использована.

Что такое передача энергии?

Передача энергии относится к перемещению энергии из одного места в другое.Подумайте об электричестве, которое течет из сетевой розетки, затем проходит через зарядное устройство и попадает в аккумулятор. Энергия передается от розетки к батарее.

Что такое преобразование энергии?

Один вид энергии может превращаться в другой тип энергии. Преобразование энергии означает изменение энергии от одного типа к другому, например от кинетической энергии к электрической энергии или от потенциальной энергии к кинетической энергии.

Какие примеры преобразования энергии?

Вот несколько способов, которыми энергия может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой:

Солнце преобразует ядерную энергию в тепловую и световую энергию

Наши тела преобразуют химическую энергию пищи в механическую энергию, необходимую нам для движения

Электрический вентилятор преобразует электрическую энергию в кинетическую

Lightning преобразует электрическую энергию в световую, тепловую и звуковую

Что такое энергосбережение?

Есть много различных типов энергии, включая кинетическую, потенциальную, гравитационную и электрическую.

Энергия может передаваться (перемещаться из одного места в другое), и она может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой, но общее количество энергии всегда сохраняется, то есть остается неизменным.

Солнце, источник солнечной энергии, передает тепловую (тепловую) и световую энергию людям, животным и растениям.

Передача энергии — это движение энергии из одного места в другое.

Преобразование энергии — это преобразование энергии от одного вида энергии к другому.

Энергосбережение означает, что общее количество энергии всегда остается неизменным.

Энергия никогда не может быть создана или уничтожена — она ​​может только переходить из одной формы в другую.

Когда топливо сгорает, горячий газ вырывается из ракеты из-за большого тепла и давления, создаваемых выделением химической энергии при горении.

Передача энергии — это движение энергии из одного места в другое. Преобразование энергии — это когда энергия переходит от одного типа к другому. Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общая энергия всегда остается неизменной.

Сбор электрической энергии от крутильного теплового срабатывания, вызванного естественной конвекцией

Тепловой разговор, приводимый в действие торсионным SMPU, мышцы

SMPU был специально выбран для получения торсионной мышцы, которая могла бы эффективно улавливать небольшие колебания температуры выше температуры окружающей среды в качестве механической энергии. В частности, SMPU имеет низкую температуру стеклования (T _g ) 25 ° C и объемный коэффициент теплового расширения (40 × 10 ⁻⁵ м / м · K) ²¹ в целевом диапазоне температур От 30 ° C до 60 ° C, что значительно выше, чем для других искусственных мышечных полимеров, таких как нейлон 6,6 (8 × 10 ⁻⁵ м / м · К) и полиэтилен (11 × 10 ⁻⁵ м / м · К) ²² .Кроме того, SMPU демонстрирует высокую степень восстановления деформации во время цикла нагрева / деформации / охлаждения с памятью формы и повторного нагрева ²³ . Эти свойства позволяют предположить, что SMPU подходит для обратимых торсионных мышц, управляемых небольшими тепловыми колебаниями.

Из предшественника пряжи SMPU была изготовлена ​​скручивающая мышца в два этапа (рис. 1а и S1). Сначала микроволокна SMPU были приготовлены методом электроспиннинга и собраны в виде выровненных листов ²³ . Процессы электроспиннинга имеют тенденцию к удлинению и ориентации жесткого и мягкого сегментов SMPU в направлении ²⁴ микроволокна, что важно для обеспечения анизотропного теплового расширения, необходимого для срабатывания при кручении с большим ходом.Во-вторых, скручивающая мышца была изготовлена ​​путем введения скрутки в лист микроволокна из электроспряденного SMPU при 40 ° C. Листы скручивали до тех пор, пока в полученной пряже не образовывались мотки, а затем скручивали до тех пор, пока вся пряжа не скручивалась в бухты. Охлаждение до комнатной температуры зафиксировало форму скрученной и мотковой пряжи. Описанный диаметр пряжи — это диаметр до начала намотки, а вставленная скрутка — относительно длины листа электропряденых нановолокон SMPU.

Рисунок 1

( a ) Иллюстрация изготовления скручивающей мышцы свернутой пряжи SMPU и ( b ) конфигурация используемой мышцы и противоположно направленные изменения длины и скручивание более горячего сегмента пряжи (сокращение и раскручивание ) и более холодный сегмент пряжи (расширение и скрутка вверх) во время срабатывания кручения.Оба конца свернутой в спираль пряжи SMPU были прикреплены к кантилеверу, что запрещало вращение концов, но позволяло изменять общую длину мышцы.

Растянутая мышца была скручена на противоположных концах, но позиционно привязана только на одном конце, а затем подвергалась воздействию температурного градиента по ее длине (рис. S2), что обеспечивало быстрое гигантское торсионное срабатывание (рис. 1b). Весло, прикрепленное к средней точке мышцы, указывало на торсионное срабатывание. Торсионная конфигурация с двумя концевыми связями сохраняет полное скручивание (скручивание плюс корча) во время торсионного приведения в действие мышцы, но температурный градиент по длине мышцы SMPU и возникающие в результате различия в тепловом расширении позволяют нарушить симметрию, что делает возможной скручивание. срабатывание.Более горячие области мышцы SMPU раскручиваются, а более холодные области скручиваются вверх. При градиенте температуры, показанном на рис. 1b, результатом является вращение лопасти в направлении раскрутки нижней, более горячей части мышцы SMPU. Этот описанный выше начальный гигантский ход не используется для сбора электроэнергии, что происходит из-за вызванных конвекцией колебаний средней разницы температур между верхним и нижним сегментами пряжи.

Торсионный SMPU-мускул, приводимый в действие естественной тепловой конвекцией

Поскольку наша конечная цель — вращать постоянный магнит, чтобы тем самым обеспечить преобразование механической энергии в электрическую, мы сначала сосредоточились на максимизации выхода механической энергии от крутильного срабатывания в ответ на начальный градиент температуры, создаваемый конвекцией над нагретой пластиной.Неудивительно, что максимальная скорость вращения и угол поворота были приблизительно пропорциональны градиенту температуры в осевом направлении мышцы SMPU (рис. 2а).

Рисунок 2

Торсионное срабатывание мышцы SMPU с двумя концами, которое возникает в результате начального температурного градиента, создаваемого естественной конвекцией. Если не указано иное, использовали SMPU-мышцу диаметром 100 мкм с растянутой длиной 12 см и вставленным скручиванием 25000 оборотов / м, температурные градиенты нормализованы по отношению к длине растянутой мышцы, температура горячего конца составляла 53 ° C, а момент инерции весла равнялся 8.9 × 10 ⁻¹³ кг · м ² . ( a ) Зависимость максимальной скорости скручивания (черные квадраты) и угла поворота (синие кружки) от среднего градиента температуры по длине мышцы. ( b ) Пиковая скорость вращения (черные квадраты) и кинетическая энергия (голубые звезды) как функция момента инерции лопасти. ( c ) Пиковая скорость кручения (черные квадраты) и пиковая кинетическая энергия кручения (голубые звезды), оптимизированные для момента инерции лопасти, как функция диаметра мышцы SMPU.Температурный градиент для ( b и c ) составлял 1,08 ° C / см. ( d ) Пиковая скорость скручивания лопасти (черные квадраты) и пиковая кинетическая энергия скручивающей лопасти на длину мышцы (синие звезды) как функция длины мышцы для мышц, растянутых на 50%. Используемая лопасть, имеющая момент инерции 8,9 × 10 ^-13 кг · м ² , состояла из пары магнитов дискового типа NdFeB-N50. Температурный градиент составлял 1,08 ° С / см. ( e ) Зависимость максимальной скорости скручивания мышцы SMPU от степени введения скручивания для разницы температур 11 ° C и температуры дна 53 ° C.Вставка: СЭМ-изображение полностью свернутой мышцы SMPU (масштабная линейка: 100 мкм). ( f ) Испытание восьмичасового цикла (для температуры горячего конца 46 ° C), показывающее, что пиковая скорость скручивания существенно не меняется со временем цикла. На вставке: угол поворота (черные символы) и скорость кручения (открытые синие символы) в зависимости от времени в течение одного цикла раскручивания и повторного скручивания.

В этих экспериментах использовалась пряжа SMPU диаметром 100 мкм, которая была растянута на 50% (с 8 см до 12 см) за счет приложения фиксированной силы, а затем подвергнута температурным градиентам с фиксированной максимальной температурой около 53 ° C ( на конце пряжи, ближайшем к источнику тепла).Минимальная температура на конце пряжи, наиболее удаленном от источника тепла, составляла от 40 ° C до 46 ° C. Предварительное растяжение мышечной пряжи SMPU увеличило скорость кручения, поскольку таким образом раскрытые катушки можно было нагреть более эффективно, а контакт между катушками не препятствовал крутильному вращению (рис. S3). Ротор, имеющий момент инерции 8,9 × 10 ^-13 кг · м ² , использовался для описанных ниже начальных измерений. Когда разница температур между концами пряжи составляла 13 ° C (соответствует температурному градиенту 1.08 ° C / см на длину 50% растянутого SMPU) пиковая скорость скручивания составляла 4280 об / мин, а амплитуда колебаний составляла 40 ° / мм (на основе полной длины растяжения мышцы SMPU). Эта амплитуда крутильных колебаний велика по сравнению с крутильным вращением примерно 2 ° / мм, наблюдаемым для скрученного волокна из нейлона-6, которое было нагрето с 25 ° C до 62 ° C ^25,26 . Торсионный ход был нечувствителен к фактической температуре горячего конца образца при использовании того же температурного градиента, за исключением случая, когда температура горячего конца была лишь немного выше 31 ° C SMPU T _g (рис.S4). Максимальная кинетическая энергия скручивания лопасти, прикрепленной к SMPU-мышце, составляла приблизительно 0,6 Дж / кг при нормировании на общую массу приводного волокна. Эта кинетическая энергия была рассчитана, как описано ранее ¹⁵ из ½ Iω ² , где I и ω — это момент инерции и максимальная угловая скорость лопасти, соответственно.

Поскольку приведенное выше соотношение показывает, что доступная кинетическая энергия зависит от момента инерции лопасти, затем были проведены эксперименты с использованием лопастей, имеющих разные моменты инерции.На рисунке 2b показана зависимость пиковой скорости вращения и пиковой кинетической энергии кручения от момента инерции лопасти для лопасти, прикрепленной к спиральной SMPU-мышце диаметром 100 мкм. Аналогичные данные, полученные для SMPU-мышц диаметром 60, 80 и 120 мкм, представлены на рис. S5. Как и ожидалось, скорость вращения уменьшалась, когда мышечная нить была прикреплена к лопасти с более высоким инерционным моментом. Кроме того, пик кинетической энергии лопасти произошел при определенной инерции лопасти, которая увеличивалась с увеличением диаметра пряжи (рис.S5). Наличие высокой кинетической энергии в определенный момент инерции лопасти отличается от предыдущих торсионных полимерных мышц, которые имели постоянную кинетическую энергию независимо от момента инерции лопасти ²⁰ .

Пиковая кинетическая энергия также оказалась приблизительно пропорциональной диаметру мышцы SMPU (рис. 2c). Пряжа большего диаметра создает более высокий крутящий момент ²⁷ при медленном нагреве, что предполагает более высокие скорости вращения, которые должны создаваться более толстой пряжей.Однако колебания температуры в текущей работе, вероятно, будут нагревать только поверхность более толстых нитей, а более холодный внутренний сердечник пряжи ограничивает крутящий момент и скорости вращения при кручении. Следовательно, проблема теплопередачи ограничивает преимущества использования очень толстой пряжи.

Пиковая скорость скручивания мышцы SMPU увеличивалась с увеличением длины пряжи, но кинетическая энергия лопасти, нормированная на длину мышцы SMPU, была практически постоянной (рис. 2d). Предыдущие исследования показали, что крутильный ход линейно масштабируется с длиной мышечной нити ¹⁵ , и известно, что период крутильного осциллятора увеличивается как квадратный корень из длины.Эти два эффекта предполагают, что средняя скорость кручения для первой половины цикла должна увеличиваться пропорционально квадратному корню из длины пряжи. Действительно, пиковые скорости скручивания, показанные на рис. 2d, действительно демонстрируют эту зависимость, хотя диапазон исследуемых длин мышц был ограничен. Кинетическая энергия кручения лопасти зависит от квадрата скорости кручения, поэтому ожидается, что кинетическая энергия лопасти, нормированная на длину мышцы SMPU, будет в значительной степени независимой от длины, как наблюдалось (рис. 2d).

Полностью свернутые в спираль мышцы были изготовлены с разным количеством вставленных скручиваний, при этом 25 000 оборотов / м показали наивысшую эффективность (рис. 2e). Реверсивное торсионное срабатывание сохранялось без потери производительности в течение 8 часов, когда оно было вызвано колебаниями температуры из-за постоянного температурного градиента (рис. 2f). На вставке к рис. 2е показана полная обратимость, реализованная для одного цикла раскручивания и повторного скручивания мышцы SMPU.

Сбор электроэнергии за счет естественной тепловой конвекции

В отличие от предыдущей работы, в которой крутильное срабатывание контролировалось электрическим нагревом или тепловой пушкой ^19,20 , мышцы SMPU постоянно находились в движении за счет температурных колебаний, возникающих в результате естественной конвекции выше горячего пластина (которая на практике могла быть радиатором отопления помещения).Колебания движения воздуха в комнате вызывали колебания температуры мышечных сегментов, вызывая торсионное срабатывание, механическая энергия которого собиралась в виде электрической энергии. Поскольку верх и низ мышцы скручены, направление изменения крутящего момента на магнитном роторе будет зависеть от того, увеличивает или уменьшает колебания естественной конвекции среднюю разницу температур между верхним и нижним сегментами мышцы.

Сбор электроэнергии с использованием колебаний температуры, связанных с естественной тепловой конвекцией, был исследован для торсионной мышцы, которая была оптимизирована для обеспечения максимальной кинетической энергии ротора (рис.3а). Генератор состоял из ротора из неодимового магнита, двух катушек из медной проволоки и SMPU-мышцы диаметром 100 мкм, которая имела длину 12 см (после растяжения на 50%) (рис. S6). Ротор состоял из трех магнитов, которые были выбраны в соответствии с оптимизированным моментом инерции (1,45 × 10 ⁻¹¹ кг · м ² на рис. 2b) и были прикреплены к средней точке мышцы. Когда температура горячего конца мышцы SMPU составляла 53 ° C, а разница температур между концами пряжи составляла 13 ° C, пиковая скорость вращения магнитного ротора составляла 3000 об / мин (рис.3b и фильм S1). Полученное максимальное напряжение холостого хода от генератора составило 0,81 В (рис. 3b, c). В этих экспериментальных условиях и при согласованной нагрузке с импедансом 31 кОм генератор производил пиковую выходную мощность 4,0 Вт / кг и энергию за цикл 0,43 Дж / кг при нормировании на массу мышцы SMPU (рис. 3d). Эта пиковая плотность мощности аналогична термоэлектрической мощности, генерируемой разницей температур в 10 ° C ²⁸ . Исходя из объема мышцы SMPU, объемная пиковая выходная мощность и энергия за цикл составили 2.20 мВт / см ³ и 0,24 мДж / см ³ соответственно. Исходя из общего объема электромагнитного генератора, магнитного ротора и мышцы SMPU, включая все пустоты, объемная пиковая мощность и энергия за цикл составили 0,595 мкВт / см ³ и 0,064 мкДж / см ³ , соответственно. .

Рис. 3

Сбор тепловой энергии в виде электрической энергии с помощью торсионного срабатывания мышцы SMPU, который приводится в действие естественной конвекцией. ( a ) Схематическое изображение генератора, который выводит электрическую энергию из механической энергии, генерируемой температурным градиентом, создаваемым естественной конвекцией.( b ) Зависимость от времени напряжения холостого хода на катушках электромагнита, которое создается вращением магнита с приводом от мышц, когда температура горячего конца составляет 46 ° C, а напряжение измеряется с помощью осциллографа и 1 МОм.

No related posts.