Tepelné články místo solárních? Vědci objevili zcela novou metodu přeměny tepla na elektrickou energii

Václav Diopan - 29 Červenec 2019

Je možné sestrojit přímý tepelně-elektrický konvertor, který se obejde zcela bez chladiče? Objev zaměstnanců Tokíjského technologického institutu vedených Sachike Matsushitou může mít dalekosáhlé důsledky.Geotermální jezírko, ilustrační foto.

Geotermální jezírko v Yellowstoneském národním parku. licence: Veřejné dílo
foto: Veřejné dílo

Drtivá část elektrické energie, která umožňuje čtenáři zhlédnout tyto řádky, vznikla přeměnou tepla v parogenerátoru elektrárny. Aby se rotor tepelného stroje záhy po rozběhnutí nezastavil, musí konstrukce zařízení ctít zásadu vycházející z druhé věty termodynamické. Zákon v přeneseném smyslu říká, že ohřátou páru jež prošla soustrojím, je potřeba na konci zase ochladit.

Cyklus ohřevu a chlazení taktéž byť skrytě pohání větrné a vodní turbíny. Jen o koloběh se stará příroda a nikoli člověk. Nezbytnost tepelného rozdílu nezanikne ani, když opustíme oblast točivých strojů. Termoelektrický generátor založený na odlišném jevu rovněž potřebuje na jednu část teplo přivádět a z druhé odvádět.

V kontrastu s univerzální podmínkou teplotní diference se proto jeví téměř magické, že je možné sestrojit přímý tepelně elektrický konvertor, který se obejde zcela bez chladiče, neboť ho lze tepelným zdrojem zcela obklopit. Na první pohled to popírá druhý zákon termodynamiky a připouští existenci perpetua mobile druhého druhu.

Ve skutečnosti jeden ze stěžejních pilířů vědy porušen není. Ačkoli je vše popsané pravda, tak nesoulad je pouze zdánlivý a hlubší rozbor by to potvrdil. Objev zaměstnanců Tokíjského technologického institutu vedených Sachike Matsushitou proto svět nepřevrátí úplně na ruby, ale přesto rozhodně není nudný a může mít dalekosáhlé důsledky.

Úžasný předmět, který vědci materiálového oddělení sestavili, evolučně vychází z barvivem senzitizovaného solárního článku. Nicméně pro jeho provoz je místo světla vyžadováno opravdu jen teplo, tudíž elektřinu dokáže vyrábět i v noci. Vědci ho tedy analogicky označili názvem termálně senzitizovaný článek (TSC).

Schematické zobrazení termálně senzitizovaného článku a přesunu elektronů v něm.

Schematické zobrazení termálně senzitizovaného článku a přesunu elektronů v něm.
foto: archiv autora

Z pohledu života vynálezů je to naprostá novinka. Vůbec první zmínka o něm padla v roce 2017, což znamená, že si s ním zatím vědci hrají ve velmi malém měřítku. Pomocí vzorků velikosti podložního sklíčka mikroskopu se snaží systém osahat a dospět k vytouženým výsledkům.

Zázračný výdobytek lidské inteligence přitom není nikterak složitý. Uplatňuje mix prvků z fotovoltaického a bateriového (elektrochemického) článku. Neobratně řečeno je jejich hybridem a skládá se z elektrody pokryté dvěma vrstvami materiálu, pevného elektrolytu a protielektrody.

I samotný princip vzniku elektrického proudu lze snadno vysvětlit. Děj začíná excitací elektronu teplem v polovodiči (germanium). “Vystřelený” elektron zachycuje druhá vrstva určená k přenosu elektronu na sběrnou elektrodu, jež směřuje tok elektronů dál do obvodu.

Chybějící elektron v polovodiči se doplňuje z elektrolytu oxidací přítomné elektroaktivní látky (ionty mědi). Celý cyklus završuje regenerace aktivní látky u protielektrody darováním elektronu z uzavřeného elektrického okruhu.

Před dvěma lety, kdy přišli badatelé s návrhem článku, jim nebylo zcela jasné, jak se bude chovat při terminaci procesu. Podle předpovědi činnost v důsledku dosažení rovnováhy redoxních reakcí v elektrolytu měla ustat. Nyní vědci znají odpověď na základě provedených pokusů.

Během odebírání proudu opravdu pozorovali, že napětí postupně kleslo na nulu. Nicméně dobrá nálada je neopustila. Když rozpojili obvod a po krátké chvilce opět spojili, měřák se znovu pohl. Způsobila to difuze, co v době klidu měla příležitost zamíchat ionty v elektrolytu a doplnit jejich stav z oblastí od protilehlé elektrody.

Stačilo tedy pro “nabití” článku vždy otáčet spínačem mezi polohami vypnout/zapnout a pokaždé se na něm po proceduře objevilo napětí. Zařízení sice nemohlo vyrábět elektrický proud kontinuálně, ale v diskontinuálním režimu pracovalo spolehlivě.

TSC produkoval poměrně nízké napětí o hodnotě 0,4 V. Bylo to dáno nasazením polovodiče s úzkým zakázaným pásem. Ten byl zvolen záměrně, protože úzký pás mu dovoluje operovat s menší teplotou. Počas experimentů vědci článek termostatovali jen na 60-80 °C.

Tím na svou stranu získali argument, že se bude TSC hodit k záchraně všudypřítomného nízkokvalitního odpadního tepla, které by jinak nenávratně uniklo Pánu Bohu do oken.

Mimoto autoři, aby demonstrovali užitečnost, připojili do obvodu skutečný spotřebič. Spojením několika článků dohromady vydolovali dostatek výkonu a napětí k napájení LCD displeje. Spotřeba displeje je směšná. Ovšem je nutno mít na paměti, že směšné parametry vlastnil i první solární článek z perovskitu v roce 2009 a dnes už se pomalu chystá reálné nasazení.

Vlastní představa vědeckého týmu o budoucnosti zahrnuje TSC generátor k výrobě čisté elektrické energie z energie geotermální. Podle jejich myšlenek by stačilo k řešení energetické krize zařízení zakopat do země, zapomenout a bezstarostně čerpat.

DOI: 10.1039/c7mh00108h, DOI: 10.1039/c9ta04060a
Zpět na HybridPřidat komentář

Trochu na okraj, solarni panel je v provozu chladnejsi nez kdyby byl odpojeny. Energie ze zareni se premeni na teplo a elektrinu. Kdyz elektrina proudi z panelu pryc, zbyde na ohrati mene energie nez u odpojeneho panelu.

Obrázek uživatele Kuk

V Africe si nabíjej mobily teplem už dávno :D
https://www.youtube.com/watch?v=1q1hIGCl420

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá - Leave the oil in the soil and the coal in the hole. - Sekám a vysávám na baterky. // ‪#‎BasuraChallenge‬ ‪#‎trashtag‬

Kdyby misto tancovani a poskakovani tocili klikou s generatorem, meli by vic elektriny.

Obrázek uživatele Anonym123

když jsem tuhle poránu točil klikou lanovky ...
trieť ebonitovú tyč je zábavnejšie a nespotím sa pri tom.

Priznám sa, že úplne nechápem celý princíp ale niečo analogicky podobné som čítal už dávno. O takzvanom galvanotermickom jave.
Zdroj:
https://ekolist.cz/cz/zpravodajstvi/zpravy/elektrotermicky-rozklad-tekutej-vody-na-plynny-vodik-a-kyslik-a-jeho-ekologicko-ekonomicky-vyznam

Či je to vôbec možné, neviem posúdiť

---

FVE 10kWp + 12kWh LiFePO4, fotovoltaický ohrev vody 1,2GJ tepelný zásobník, 80tis. km na elektro.

To není obyčejný termoelektrický článek pracující na rozdílu teplot a který není žádnou novinkou. Tady doslova mluví o tom, že článek může být teplem obklopen.

Takže teplo dodá počáteční energii, která vytrhne elektron z elektrolitu dodá ho do systému a v důsledku difuze se chybějící elektron zase sám nahradí jo? Té první části bych ještě věřil ale ta druhá mi přijde poněkud zvláštní.

A o odpadní energii mluví asi hlavně proto, že účinnost bude velmi nízká, ale asi pořád lepší než žádná v místech kde se odpadní teplo nedá využít jinak - například k ohřevu vody a dalšímu využití. A protože to nemá žádné mechanické části, tak by to mohlo být i levné.

Můžete někdo makat rozdíl mezi tímto a normálním termoelektrickým jevem?

Ten přece také nepotřebuje žádný chladič?

Tedy princip je asi jiný, ale využití je stejné?

Termoelektricky clanek, tzv. Peltieruv element pracuje na zaklade tepelneho rozdilu. Jinak by nesla merit teplota. Napeti je umerne rozdilu teple a studene elektrody. Nemeri absolutni teplotu, ale rozdily teplot a jedna teplota musi byt znama. Napriklad pokojova teplota.

Ano jedno použití termoelektrického jevů j měření teploty. Nicméně druhé použití je jako zdroj elektřiny. Stejně jako v tomto případě. A když se podívám na schema tak mi to přijde hodně podobné.
Proto se ptám kde je rozdíl.

Ten novy objev udajne nepotrebuje rozdilne teploty. Cerpa asi energii z Brownoveho pohybu atomu a molekul. Dodnes neexistuje nic co by takto fungovalo. V podstate by slo energii ziskavat ze vseho co je teplejsi nez 0 kelvinu. Hodite to do more a ono to bude vyrabet elektrinu. Kdyz zahrejete Peltieruv element na jakoukoliv teplotu a cely aparat ma stejnou teplotu, tak zadnou elektrinu neziskate. Tam je treba tepelny rozdil mezi dvema elektrodami.

Obrázek uživatele Jan Veselý

Tohle by se do začátku mohlo hodit do nějakých senzorů.

Takže článěk by při své práci měl "vyrábět" chlad.
Tudíž by šel třeba přilepit na druhou stranku solárních panelů, tím je ochlazovat, zvyšovat jejich účinnost a jako bonus vyrábět ještě další elektřinu.

Já to chápu tak, že důležitý je rozdíl teplot mezi 2 prostředími. Na to se lépe hodí geotermální energie nebo odpadní teplo z elektrárny. Otázkou je ale účinnost. Vypadá to na "solární článek" pracující na IR frekvenci.

Obrázek uživatele PaRi

Já jsem to pochopil tak, že to pracuje na jiném než termodynamickém principu. Něco jako fotovoltaika specializovaná na vlnovou délku tepla. V druhé polovině článku je to rozvedeno.

Obrázek uživatele Jan Veselý

Jo, napadlo mě to samé. Dost mě překvapuje, že z tak nízkou energií nakopli fotoelektrický jev.
Do článku by se hodila ještě uvést účinnost procesu a cena. Ale ta čísla asi jsou aktuálně dost ubohá, jako u všech takových začátků. FV články taky začínaly na nějakých 0.1% a >100 USD/W.

S rozdilem teplot to zni logicky (termodynamika), ale nekoresponduje to s posledni vetou clanku. Pri zakopani tohoto clanku pod zem by teplota byla stale stejna, nepletu-li se.

Stejně jako tam zmiňují, že článek může být teplem obklopen.

Doba elektrická prostě nastává. Jednou snad budem užívat jen čistou energii :)

---

FVE 59,85 kWp a 4,86 kWp , nízkoenergetická dřevostavba - tep. ztráta 4,5 kW
TESLA 3 Performance, BMW 330e , VW e-Golf


Autonabíjení.cz - vše pro Váš elektromobilNabíječky elektromobilů Circontrolveletrh e-Salon