Серед перетворень теплової та електричної енергії є перетворення, які передбачають часові зміни температури перетворювачів теплової та електричної енергії (ПТЕЕ) [1, 2], наприклад, піроелектричні, термомагнітні, перетворення в конденсаторах та суперконденсаторах (іоністорах; далі в цій роботі будемо використовувати один з вказаних термінів) [3, 4]. Термоелектричні перетворення [5, 6] також можуть здійснюватися при часових змінах температури термоелектричних перетворювачів. Вказані зміни температури можуть бути спричинені наявністю (дією) чи можуть супроводжувати наявність (дію) різних факторів: змін температури навколишнього середовища (наприклад, змін температури навколишнього середовища, які пов’язані з рухом об’єктів або добових коливань температури навколишнього середовища); змін температури середовищ (речовин) в деяких технологічних процесах; інших факторів, наприклад, процесів, явищ, засобів, об’єктів, середовищ, речовин (зокрема, рухомих речовин), пристроїв, елементів, систем, за наявності яких (при дії яких) змінюється (може змінюватися) температура ПТЕЕ.
Об’єктом дослідження цієї роботи є процеси перетворення теплової та електричної енергії, які передбачають часові зміни температури (температур) ПТЕЕ, зокрема, за наявності (при дії) одного або декількох з вказаних вище інших факторів.
Метою роботи є розгляд деяких особливостей вказаних вище процесів перетворення теплової та електричної енергії.
Вказаними вище іншими факторами можуть бути, наприклад, використання: калоричних (калорійних) елементів (наприклад, електрокалоричних, магнітокалоричних, барокалоричних, еластокалоричних, п’єзокалоричних) [7 – 10]; суперконденсаторів, які здатні змінювати свою температуру при зміні їх електричного заряду [3, 4]; теплових насосів (ТН), наприклад, компресійних, термоелектричних [5, 6], електрокалоричних [7, 8], магнітокалоричних [9 – 10]; рухомих речовин з різними температурами. Як термоелектричний ТН може бути використаний термоелектричний модуль (ТМ), наприклад, TEC1-12706. ТМ може бути використаний також і як ПТЕЕ.
Зміна температури ПТЕЕ завдяки вказаним вище іншим факторам може супроводжуватися зміною температури ПТЕЕ під дією змін температури навколишнього середовища чи середовищ в технологічних процесах.
ПТЕЕ можуть бути, наприклад: піроелектричні перетворювачі; термомагнітні перетворювачі; електрохімічні перетворювачі; конденсатори та суперконденсатори (або пристрої, які мають властивості суперконденсаторів), які можна використати як ПТЕЕ; термоелектричні перетворювачі. Як ПТЕЕ можуть використовуватися пристрої, які крім перетворення теплової та електричної енергії здатні також поглинати, зберігати (в тій чи іншій формі) та віддавати електричну енергію. Також як ПТЕЕ можуть використовуватися пристрої, які крім іншого здатні поглинати, зберігати (в тій чи іншій формі) та віддавати теплову енергію. ПТЕЕ можуть працювати на основі різних явищ (ефектів), які супроводжуються тим чи іншим перетворенням теплової та електричної енергії, наприклад, піроелектричного ефекту, ендотермічних чи екзотермічних реакцій, можливої зміни електричної ємності та енергії зарядженого конденсатора чи суперконденсатора при зміні температури тощо. При зміні температури заряджених конденсаторів та суперконденсаторів напруга на них може змінюватися. Це може бути зумовлено зміною ємності конденсаторів та суперконденсаторів при зміні їх температури.
Розглянемо приклади можливої реалізації досліджуваних процесів.
На рис. 1 відображені приклади схем, які можуть бути використані для реалізації досліджуваних процесів. До контактів 1, 2 (рис. 1 a)) та 1 - 3 (рис. 1 b)) можуть приєднуватися навантаження, джерела енергії, накопичувачі енергії, перетворювачі енергії. Між елементами, які відображені на рис. 1 c) та рис. 1 d) є теплові контакти. Елементи, які відображені на рис. 1 c) та рис. 1 d) можуть використовуватися і як ПТЕЕ, і як ті елементи (фактори), якими змінюють температуру ПТЕЕ. Наприклад, на рис. 1 d) ТМ може використовуватися і як ПТЕЕ, і як ТН, яким змінюють температуру ПТЕЕ або (інший приклад) суперконденсатор C1 може використовуватися і як ПТЕЕ, і як елемент, яким змінюють температуру ПТЕЕ C2 та ТМ. У схемах рис. 1 замість суперконденсаторів можуть бути використані конденсатори та піроелектричні перетворювачі.
Рис. 1. Схеми, які можуть бути використані для реалізації досліджуваних процесів: a) електричних з’єднань суперконденсатора C1; b) електричних з’єднань суперконденсаторів C1 та C2; c) розташування ТН та суперконденсаторів C1, C2; d) розташування ТМ та суперконденсаторів C1 – C4.
Як ПТЕЕ може використовуватися суперконденсатор (рис. 1 a)), який заряджають при одній температурі, а розряджають при іншій температурі. Електричні енергії, які при цьому відповідно отримує та віддає суперконденсатор можуть відрізнятися. Тому при цьому можливі перетворення теплової енергії в електричну та перетворення електричної енергії в теплову. Температуру цього суперконденсатора при цьому можуть змінювати ТН (рис. 1 c)) або іншим суперконденсатором (рис. 1 d)), або іншим суперконденсатором та ТМ (рис. 1 d)). Також як ПТЕЕ може використовуватися заряджений конденсатор або суперконденсатор, електрична енергія якого змінюється при зміні його температури (і тому при цьому буде здійснюватися перетворення теплової та електричної енергії).
Також як ПТЕЕ можуть використовуватися два заряджені суперконденсатори, на яких змінюються напруги (у яких змінюються їх електричні ємності) при зміні їх температур і, які електрично з’єднані одними із своїх електричних контактів (виводів) згідно з рис. 1 b). Температури вказаних суперконденсаторів можуть змінювати з використанням ТН (рис. 1 c)) або, згідно з рис. 1 d), з використанням інших суперконденсаторів (ТМ при цьому може використовуватися як ще один ПТЕЕ), або з використанням ТМ та інших суперконденсаторів (рис. 1 d)). Якщо, як варіант, до контактів 1 та 3 (рис. 1 b)) при цьому буде приєднане електричне навантаження або накопичувач, тоді буде здійснюватися перетворення теплової енергії в електричну. Як варіант, при використанні схеми рис. 1 b) суперконденсатори можуть заряджати та розряджати при різних температурах.
Температуру ПТЕЕ можуть змінювати з використанням принаймні одного ТН, який має тепловий контакт з навколишнім середовищем.
Температуру ПТЕЕ можуть змінювати з використанням принаймні одного ТН та принаймні однієї рухомої речовини, між якими можуть бути реалізовані ті чи інші теплові контакти, як варіант, періодичні.
Зміни температури ПТЕЕ можуть бути циклічними.
Висновок. Способи зміни температури перетворювачів теплової та електричної енергії, які є об’єктом дослідження цієї роботи можуть бути використані для вказаної зміни температури як за наявності, так і за відсутності змін температури навколишнього середовища чи технологічних процесів в яких змінюється температура середовищ.
Література
1. Kishore, R.A.; Priya, S. A Review on Low-Grade Thermal Energy Harvesting: Materials, Methods and Devices. Materials 2018, 11, 1433. https://doi.org/10.3390/ma11081433.
2. Thakre, A.; Kumar, A.; Song, H.-C.; Jeong, D.-Y.; Ryu, J. Pyroelectric Energy Conversion and Its Applications—Flexible Energy Harvesters and Sensors. Sensors 2019, 19, 2170. https://doi.org/10.3390/s19092170
3. H. Gualous, H. Louahlia and R. Gallay, "Supercapacitor Characterization and Thermal Modelling With Reversible and Irreversible Heat Effect," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 11, pp. 3402-3409, Nov. 2011, https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2145422
4. Zhou, W.; Liu, Z.; Chen, W.; Sun, X.; Luo, M.; Zhang, X.; Li, C.; An, Y.; Song, S.; Wang, K.; et al. A Review on Thermal Behaviors and Thermal Management Systems for Supercapacitors. Batteries 2023, 9, 128. https://doi.org/10.3390/batteries9020128.
5. Goldsmid, H.J. (2017). The Physics of Thermoelectric Energy Conversion. San Rafael, CA: IOP concise Physics, Morgan and Claypool.
6. Goldsmid, H.J. (2025). Thermoelectric Energy Conversion. In digital Encyclopedia of Applied Physics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (Ed.). https://doi.org/10.1002/3527600434.eap882.
7. S. Mönch et al., "A 99.74% Efficient Capacitor-Charging Converter Using Partial Power Processing for Electrocalorics," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 11, no. 4, pp. 4491-4507, Aug. 2023, https://doi.org/10.1109/JESTPE.2023.3270375
8. I. Bennour and S. Mönch, "Voltage Balancing of a Pi-Type Multilevel Converter for Charging Electrocaloric Capacitors," 2025 IEEE 26th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), Knoxville, TN, USA, 2025, pp. 1-8, https://doi.org/10.1109/COMPEL57166.2025.11121153
9. A. Kitanovski, Energy Applications of Magnetocaloric Materials. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903741. https://doi.org/10.1002/aenm.201903741
10. Kitanovski, A., Tušek, J., Tomc, U., Plaznik, U., Ožbolt, M., Poredoš, A. (2015). Alternative Caloric Energy Conversions. In: Magnetocaloric Energy Conversion. Green Energy and Technology. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-08741-2_10
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter