Повышение эффективности термоэлектрической климатической установки

27.10.2023

Увеличение эффективности любого устройства всегда есть увеличение доли полезной работы в общем энергопотреблении. Термоэлектрический тепловой насос, перекачивая тепло, выполняет функцию охлаждения и нагрева.

Обладая определёнными достоинствами и недостатками, термоэлектрический насос имеет небольшой COP (Coefficient of Performance) охлаждения в сравнении с насосами, функционирующими на фазовом переходе рабочего тела.

СОР_охл = Q_охл/W_эл

где Q_охл – мощность охлаждения, W_эл – полное электропотребление.

Как правило СОР_охл самых передовых термоэлектрических устройств не более 1 при температуре ниже температуры окружающей среды на 15 ÷ 20К. В то время как газово-компрессионные тепловые насосы имеют в этой же рабочей точке СОР 2 и более.

Постоянные попытки разработчиков и производителей термоэлектрических охладителей увеличить COP_охл за счет оптимизации дизайна устройств не приводят к значимым для индустриального, широкого применения улучшениям. Существенное улучшение СОР_охл может быть достигнуто только увеличением эффективности термоэлектрического материала. 

Однако, повышение термоэлектрической эффективности материалов само по себе является нетривиальной задачей. Взглянув на формулу, мы увидим прямую зависимость термоэлектрической добротности материала от его электро- и теплофизических свойств:

Z = α2σ/κ

где α – коэффициент Зеебека (термоэдс), σ – удельная электропроводность, κ – общая теплопроводность материала. Произведение α2σ называют фактором мощности, который по сути своей определяет эффективность транспорта носителей заряда. Таким образом эффективный термоэлектрический материал должен обладать высоким коэффициентом Зеебека и электропроводностью, в то время как его теплопроводность должна быть минимальна. Однако, за счет электрон-фононного взаимодействия эти параметры материала сильно взаимозависимы и изменение одного из них влечет за собой изменение остальных.

Постоянно появляющиеся новые применения термоэлектрического охлаждения, как правило ориентированы на нишевые узкоспециализированные устройства.  Последние 15-20 лет в особенно интенсивно шел поиск решения по увеличению эффективности термоэлектрического материала с целью расширения применения охладителей Пельтье.

Материаловедческие исследования и разработки велись по следующим направлениям:

• материалы с природно низкой теплопроводностью, такие как халькогениды тяжелых и переходных металлов, слоистые металл оксиды, бориды, в том числе, галогенидные перовскиты.
• увеличение термоэлектрической эффективности в наноструктурированных термоэлектриках из традиционных материалов за счет уменьшения решёточной теплопроводности в результате возрастания рассеяния фононов на границах нано зёрен и структурных дефектах внутри зёрен.

Компания ООО НПО «Кристалл» один из ключевых производителей на мировом термоэлектрическом рынке. За последние 25 лет мы существенно модернизировали нашу уникальную технологию производства термоэлектрического материала – Теллурида Висмута, в том числе через реализацию многих НИР и ОКР, направленных на увеличения добротности Z.  Прямо сегодня можно сказать, что цель значительного увеличения термоэлектрической добротности для серийно производимой продукции мировыми производителями не достигнута. Лучшие серийные термоэлектрические материалы имеют добротность (эффективность) около 3,15 K¯¹ при температуре 300К, измеренной методом Хармана.

Вернёмся снова к общей эффективности устройства. Мы проанализировали функцию охлаждения в термоэлектрических тепловых насосах как основную полезную работу, принимая по умолчанию, что нагрев является паразитным эффектом и полезную работу не совершает.

КПД = А_охл/А_эл х 100%

где: А_охл – работа по охлаждению, А_эл, – затраченная электрическая работа.

Очевидно, это так. Мало найдется устройств, где использовался и термоэлектрический нагрев и термоэлектрическое охлаждение в одном цикле расходования электричества.  Температура окружающей среды в повседневной жизни не меняется одномоментно. Однако такие изменения имеют место быть в течении суток и сезонов в течении года.  Реализованная задача накопления тепла при работе термоэлектрического теплового насоса в режиме охлаждения и использование тепла, накопленного в режиме охлаждения, ЗНАЧИТЕЛЬНО увеличит КПД устройств с Пельтье.

КПД = (А_охл + А_нагр)/А_эл х 100%

где: А нагр – работа нагрева.

Здесь будет уместно напомнить, что СОР термоэлектрического нагрева СОР_нагр = Q_нагр/А_эл при перепадах температур до 10 ÷ 12 К достигает значения 2 и более.

Команда материаловедов компании Кристалл в настоящее время изучает и анализирует материалы способные аккумулировать значительное количество тепловой энергии. Очевидно, что это материалы с фазовым переходом.

Материал с фазовым переходом (PCM phase-change material) способен хранить и выделять большое количество энергии по сравнению с хранением тепла в одном физическом состоянии. Тепло поглощается или выделяется, когда материал переходит из твердого состояния в жидкое и наоборот или когда изменяется внутренняя структура материала. PCM называются материалами, аккумулирующими скрытую теплоту (LHS latent heat storage).

Существует два основных класса материалов с фазовым переходом: органические (углеродсодержащие) материалы и гидраты солей. Третий класс — фазовый переход от твердого к твердому.

Накопление скрытой теплоты может быть достигнуто за счет изменения состояния вещества: жидкость → твердое, твердое → жидкость, твердое → газ и жидкость → газ. Однако для цикла нагрев-охлаждение-нагрев практичны только фазовые переходы твердое → жидкость и жидкость → твердое. Хотя переходы жидкость - газ имеют более высокую теплоту превращения (что доказывается работой компрессионных охладителей), чем переходы твердое тело - жидкость, фазовые переходы жидкость → газ непрактичны для хранения тепла, поскольку для хранения материалов в газовой фазе требуются большие объемы или высокое давление. Переходы между твердыми фазами обычно происходят очень медленно и имеют относительно низкую теплоту превращения.

Первоначально твердожидкие РСМ ведут себя как материалы с явным накоплением тепла (sensible heat storage SHS). Их температура повышается по мере поглощения тепла. Однако, в отличие от обычных материалов SHS, когда PCM достигают температуры фазового перехода (точки плавления), они поглощают большое количество тепла при почти постоянной температуре, пока весь материал не расплавится. Когда температура окружающей среды вокруг жидкого материала падает, PCM затвердевает, высвобождая накопленное скрытое тепло.

Уже сегодня PCM используются во многих различных коммерческих приложениях, а по мере постепенного снижения стоимости возобновляемой электроэнергии таких приложений будет все больше. Безусловно, самый большой потенциальный рынок – это отопление и охлаждение зданий.

Термоэлектрические преобразователи в этом сегменте могут иметь колоссальный рост применений в качестве климатических систем. Причем реализованная на этапе проектирования структура транспортировки и хранения тепловой энергии может быть соединена не только с охладителями зданий, но и многочисленным уличных телеком оборудованием, электронными шкафами и зарядными постами для электротранспорта, где так же необходимо качественное охлаждение для безаварийной работы.

Переход между твердыми фазами имеет ряд преимуществ, которые могут быть интересны для исследований и разработок термоэлектрических климатических систем с РСМ аккумуляторами тепла. Эти материалы меняют свою кристаллическую структуру из одной конфигурации решетки в другую при фиксированной и четко определенной температуре, и преобразование может включать скрытое тепло, сравнимое с наиболее эффективными твердожидкими РСМ. Такие материалы полезны, потому что, в отличие от твёрдых/жидких РСМ, они не требуют зародышеобразования для предотвращения переохлаждения. Кроме того, поскольку это фазовый переход твердое/твердое, видимых изменений во внешнем виде PCM не происходит, и не возникает проблем, связанных с обращением с жидкостями, например, локализация, потенциальная утечка и т. д. В настоящее время температурный диапазон твердо-твердых растворов ПКМ составляет от -50 °C (-58 °F) до +175 °C (347 °F). Перспективными могут оказаться и гибридные ячейки накопления тепла, где материалы с переходом между твёрдыми фазами заключены в оболочку из твердожидких РСМ. В этом случае, конечно, материалы должны иметь согласованную теплоёмкость.

Резюме:

Использование аккумуляторов тепла с фазовым переходом материала может дать импульс использования термоэлектрических климатических установок в тех применениях, где ранее это было невыгодно.

Термоэлектрические преобразователи не используют хладагенты, разрушающие озоновый слой Земли и являются устройствами, дружественными окружающей среде. Использование термоэлектрического нагрева и охлаждения как полезной работы в одном цикле без сомнения внесёт дополнительный весомый вклад в сокращение выбросов СО₂.

Александр Корякин.