Термоэлектрический преобразователь энергии Джонсона

Термоэлектрический преобразователь энергии Джонсона или JTEC — это тип твердотельного теплового двигателя , который использует электрохимическое окисление и восстановление водорода в двухэлементном термическом цикле, который приближается к циклу Эрикссона . [1] Он исследуется как жизнеспособная альтернатива обычному термоэлектрическому преобразованию . Его изобрел Лонни Джонсон , и он утверждает, что преобразователь демонстрирует эффективность преобразования энергии до 60%, [2] однако это утверждение находится на теоретическом уровне, основанном на сравнении с циклом Карно и предполагает температурный градиент 600 °C. [3] Первоначально он был предложен для финансирования в Управление военно-морских исследований , но был отклонен. Джонсон получил позднее финансирование, сформулировав двигатель как водородный топливный элемент. Джонсон сотрудничал с PARC при разработке двигателя. [4]

Механизм действия

JTEC — это разновидность теплового двигателя , преобразующего тепловую энергию в электрическую путем сжатия и расширения газообразного водорода. Он работает как закрытая система без движущихся классических механических частей, не требует подачи топлива и не создает выхлопных газов. Двигатель состоит из двух ступеней: ступени сжатия при низкой температуре и ступени мощности при высокой температуре. Каждая ступень состоит из рабочей жидкостной камеры, которую разделяет пополам мембранно-электродный узел с медным покрытием (MEA). MEA — это запатентованная керамическая протонообменная мембрана (PEM), которая зажата между двумя электродами. [5]

Работа похожа на щелочно-металлический термоэлектрический преобразователь , использующий водород в качестве рабочей жидкости, а не высокореактивные расплавленные щелочные металлы, с которыми трудно работать. На высокотемпературной ступени мощности расширение водорода высокого давления из ступени сжатия преобразует тепловую энергию в электрическую через МЭУ. Когда высокотемпературный водород высокого давления проталкивается через ПЭУ, он ионизируется , производя протоны и электроны . Протоны проходят через мембрану, в то время как электроды выталкивают электроны через нагрузку. После прохождения через ПЭУ протоны рекомбинируют с электронами, образуя водородный газ низкого давления, который вытекает на ступень сжатия. С точки зрения высокотемпературной ступени нагрузка состоит из внешней нагрузки на двигателе и ступени сжатия низкой температуры. На ступени сжатия электрический потенциал прикладывается к МЭУ и заставляет протоны течь через ПЭУ для получения водорода высокого давления. При перемещении между ступенями водород проходит через теплообменник , который повышает эффективность, помогая поддерживать высокотемпературную ступень горячей, а низкотемпературную — холодной.

Количество энергии, доступное для внешней нагрузки, представляет собой разницу в электрическом потенциале между тем, что необходимо для сжатия водорода при низкой температуре, и тем, что создается при его расширении при высокой температуре. В отличие от других тепловых насосных устройств, JTEC требует начального ввода электроэнергии для запуска стадии сжатия и инициирования цикла. В принципе, двигатель также может работать в обратном направлении для преобразования электрической энергии в разность температур, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. В одном из предлагаемых применений солнечное излучение будет нагревать силовую стадию, а стадия сжатия будет подключаться к радиатору с температурой окружающей среды .

Приложения

Масштабируемость двигателя позволяет его разработчикам утверждать, что его потенциальные области применения простираются от обеспечения питанием микроэлектромеханических систем (МЭМС) до функционирования в качестве крупных электростанций .

Преобразователь может использовать множество различных видов топлива без необходимости настройки под конкретный вид топлива, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания, и может вырабатывать электроэнергию за счет сжигания топлива, солнечного излучения, низкосортного отходящего тепла от промышленности или других систем выработки электроэнергии, таких как топливные элементы, двигатели внутреннего сгорания или турбины, поскольку он функционирует как двигатель внешнего сгорания . [6]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "The Johnson Thermoelectric Energy Conversion System (JTEC)" (статья) . Bright Hub. 2010-09-26 . Получено 2010-09-26 .
  2. ^ Джонсон, Лонни Г. (25-28 февраля 2019 г.). «Термоэлектрохимический преобразователь Джонсона (JTEC) как генератор тепла в электричество для ядерных энергетических систем», Ядерные и новые технологии для космоса, Тематическая встреча Американского ядерного общества , Ричленд, Вашингтон. Получено 22 октября 2021 г.
  3. ^ Уорд, Логан (1 января 2008 г.). "Изобретатель суперсолнечного коллектора стремится сократить расходы на солнечную энергию вдвое" (статья) . Popular Mechanics . Получено 18 сентября 2010 г.
  4. ^ Уорд, Логан (1 октября 2010 г.). «Shooting for the Sun» (статья) . The Atlantic . Получено 1 октября 2010 г.
  5. ^ Джонсон, Лонни Г. (29 января 2009 г.). "Высокоэффективный твердотельный двигатель". PARC . Получено 18 сентября 2010 г.
  6. ^ "Johnson Thermo-Electrochemical Converter System" (веб-сайт компании) . Johnson Electro-Mechanical Systems . Получено 2010-09-18 .
  • Видео: Решите x Moonshots 2014
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Johnson_thermoelectric_energy_converter&oldid=1208890883"