Конверсия тепла в электрическую энергию

Приведен краткий обзор механизмов и материалов по преобразованию рассеянного в окружающей среде тепла в электрическую энергию. Показаны основные способы и направления исследования в этой области. В большей степени статья посвящена преобразованию низкопотенциального тепла путем использования пироэлектрических материалов. Приведены материалы, которые могут быть использованы для эффективного преобразования теплоты в пироэлектричество. Рассмотрены физические принципы преобразования тепловой энергии в электрическую путем поляризации доменов под воздействием изменения температуры. Показано, что определяющую роль при этом играет пирокоэффициент преобразования теплоты в электрический заряд. Приведены основные формулы для расчета тока, напряжения и энергии, из которых следует, что энергия заряда определяется пирокоэффициентом, амплитудой колебания температуры, площадью поверхности и толщиной элемента. Генераторы электрической энергии с малыми токами потребления, которые в качестве источника энергии используют тепловые (температурные) колебания, могут быть применены в мобильных установках, к которым и относится железнодорожный транспорт.

изменение температуры, пироэлектрик, спонтанная поляризация, пирокоэффициент, ток, напряжение

1. Review of pyroelectric thermal energy harvesting and new MEMs-based resonant energy conversion techniques / S.R. Hunter, N.V. Lavrik, S. Mostafa, S. Rajic, P.G. Datskos // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8377. 83770D.

2. Lee F.Y., NavidА., Pilon L. Pyroelectric waste heat energy harvesting using heat conduction // Appl. Therm. Eng. 2012. Vol. 37. P. 30-37.

3. Turner W.C., Doty S. Energy Management Handbook. 6th ed. The Fairmont Press. Inc., Taylor & Francis Ltd. 2007. XIV. 909 p.

4. Liu B.T., Chien K.H., Wang C.C. Effect of working fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery // Energy. 2004. Vol. 29. № 8. P. 1207-1217.

5. Thombare D.G., Verma S.K. Technological development in the Stirling cycle engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2008. Vol. 12. P. 1-38.

6. Riffat S.B., Ma X. Thermoelectrics: a review of present and potential applications // Appl. Therm. Eng. 2003. Vol. 23. № 8. P. 913-935.

7. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures / K. Biswas, I.D. Wu et al. // Nature. 2012. Vol. 489. P. 414-418.

8. Design of segmented thermoelectric generator based on cost-effective and light-weight thermoelectric alloys / H.S. Kim et al. // Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 185. P. 45-52.

9. New directions for low-dimensional thermoelectric materials / M.S. Dresselhaus et al. // Adv. Mat. 2007. Vol. 19. P. 1043-1053.

10. Fatuzzo E., Kiess H., Nitsche R. Theoretical efficiency of pyroelectric power converters // J. Appl. Phys. 1966. Vol. 37. P. 510-516.

11. Hoh S.R. Conversion of thermal to electrical energy with ferroelectric materials // Proc. IEEE. 1963. Vol. 51. P. 838-845.

12. Pyroelectric materials and devices for energy harvesting applications / C.R. Bowen, J. Taylor, E. LeBoulbar et al. // Energy & Environmental science. 2014. Vol. 7. Is. 12. P. 3836-3856.

13. Lang S.B. Pyroelectricity: from ancient curiosity to modern imaging tool // Phys. Today. 2005. Vol. 58. P. 31-36.

14. Lang SB., Das-Gupta D.K. Pyroelectricity: Fundamentals and Applications // Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices / ed. H.S. Nalwa. 2001. Vol. 4. P. 1-54.

15. Olsen R.B., Bruno DA., Briscoe J.M. Pyroelectric conversion cycles // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58. № 12. P. 4709-4716.

16. Olsen R.B., Bruno DA., Briscoe J.M. Pyroelectric conversion cycle of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 57. № 11. P. 5036-5042.

17. Kouchachvili L., Ikura M. Pyroelectric conversion-effects of P(VDF-TrFE)preconditioning on power conversion // J. Electrostatics. 2006. Vol. 65. № 1. P. 182-188.

18. SebaldG., GuyomarD., AgbossuA. On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting // Smart Mater. Struct. 2009. Vol. 18. 125006.

19. Nonlinear pyroelectric energy harvesting from relaxor single crystals / A. Khodayari, S. Pruvost, G. Sebald, D. Guyomar, S. Mohammadi // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2009. Vol. 56. P. 693-699.

20. WhatmoreR. W. Pyroelectric devices and materials // Rep. Prog. Phys. 1986. Vol. 49. P. 1335-1386.

21. Струков Б.А., Леванюк А.П. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах. М.: Наука: Физматлит, 1995. 304 с.

22. Таганцев А.К. Пиро-, пьезо-, флексоэлектрический и термополяризационный эффекты в ионных кристаллах // Успехи физических наук. 1987. Т. 152. Вып. 3. С. 423-448.

23. Nano/microscale pyroelectric energy harvesting: challenges and opportunities / D. Lingam, A.R. Parikh, J. Huang, A. Jain, M. Minary-Jolandan // Int. J. Smart Nano Mater. 2013. Vol. 4. P. 229-245.

24. Navid A., Pilon L. Pyroelectric energy harvesting using Olsen cycles in purified and porous poly(vinylidene flTOride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] thin films // Smart Mater. Struct. 2011. Vol. 20. 025012.