Сотрудники НИ ИрГТУ под руководством Игоря Шелехова, который возглавляет инновационное предприятие Технопарка «Термостат», добились высоких результатов в разработке новой технологии изготовления термоэлектрических устройств.

Новые термомодули, которые создали ученые, могут использоваться в приборах для эффективного преобразования тепловых потерь, имеют более высокие технические характеристики и спектр использования, чем у всех известных мировых аналогов.

Руководитель проекта сообщил, что эксперименты по созданию наиболее оптимальных термоэлектрических устройств начались в ИрГТУ два года назад. Успешные результаты достигнуты во многом благодаря новейшему оборудованию, которое приобрел университет по программе развития НИУ.

«Вопросы, связанные с энергосбережением, становятся все более актуальными, и мы начинаем считать, сколько тепла у нас уходит через оконные проемы, плохо утепленные стены, системы вентиляции, водоснабжения и канализации, — подчеркивает перспективность разработки Игорь Шелехов. — Если снизить потери через окна и стены еще как-то получается, то современные устройства, позволяющие сокращать потери в системах вентиляции, водоснабжения и водоотведения далеки от совершенства и требуют новых инновационных подходов. В последние годы, учитывая тенденцию развития новых технологий в электронной промышленности и появление новых композиционных материалов, проснулся интерес к термоэлектрическим устройствам. В частности, они широко вошли в наш повседневный быт в виде датчиков температуры».

По информации авторов проекта, термоэлектрический преобразователь представляет собой полупроводниковую пластину, состоящую из двух частей — если одну сторону приложить к теплу, а другую к холоду, то будет вырабатываться электроэнергия. Современная наука находится в постоянном поиске новых полупроводниковых композиций и прогресс в этой области зависит не только от теории, но и от практических экспериментов. На сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, который удовлетворил бы промышленность своими свойствами. И. Шелехов использовал в проекте несколько своих «ноу-хау». В частности, он развил идею распределения площади теплопередачи и синтезировал полупроводниковый термоэлектрический материал, который обеспечил наиболее высокий на сегодня в мире коэффициент преобразования тепла в электричество.

Ученые ИрГТУ смогли создать термоэлектрический модуль на гибкой подложке размером 2210/189 мм.

«Расстояние между термопарами — полупроводниковыми пластинами, которые являются теплопринимающими поверхностями, удалось развести на 16 см, — уточняет И. Шелехов. — Этот результат является технологическим прорывом, так как в настоящее время не известны термоэлектрические устройства, в которых расстояние между проводниками составляло бы более 1 см. Данный образец получен при низкотемпературном технологическом цикле, что существенно снизило его себестоимость. Термоэлектрический модуль может преобразовывать тепловую энергию в электрическую в диапазоне от –50 до +250°C. Например, если одну сторону нагреть до 210–218°C, а вторую охладить до 0–1°C, то вырабатывается напряжение 0,5 В. Причем, мы использовали всего 60 полупроводниковых переходов, а в стандартном модуле их имеется до 400 штук».

Первые положительные результаты показали большой потенциал данной технологии и открывают новые возможности применения термоэлектрических устройств в системах кондиционирования, холодильного оборудования.

«Мы будем продолжать эксперименты в этом направлении и ставим перед собой задачу увеличить расстояние между полупроводниковыми пластинами на полметра. Планируем, что данное конкурентное преимущество наших термоэлектрических элементов позволит в будущем выйти на рынок с принципиально новым продуктом, который при работе не издает шума. Мы готовы предложить производителям бесшумную технологию с высоким КПД», — отметил И. Шелехов.

Ранее созданные учеными ИрГТУ экспериментальные образцы термоэлектрических устройств были испытаны в различных областях, например, в многоквартирном доме в Иркутске проводились исследования по утилизации теплопотерь от системы холодного и горячего водоснабжения и преобразования их в электрическую энергию.

«Выяснилось что эти «потери» могут обеспечить освещение подъезда и подвала в пятиэтажке, — рассказал И. Шелехов. — Термоустройство также использовали при закладке горячего асфальта, который долго остывает. Панель термоустройства размещали на теплом асфальте и получали электроэнергию, способную осветить дорогу. Кроме того, разработка может быть полезна не только в городском хозяйстве, но и в быту. Если одну сторону термоустройства нагреть на плите, а на другую поставить кружку с холодной водой, то этой энергии хватит, чтобы зарядить телефон или аккумулятор автомобиля. А если достаточно большой элемент питания свернуть в трубку и надеть, например, на печную трубу, то можно обеспечить энергией дачный дом или баню».

По его информации, термоэлектрические устройства помогут возвращать в сеть тепломощность от систем вентиляции. Остаточную температуру воды, которой мы пользуемся при принятии душа или ванны, также можно преобразовывать в электрическую энергию.

И. Шелехов сообщил, что в этом году он вместе с коллегами намерен разработать нормативно-техническую документацию на предложенную технологию и подготовить заявку на получение международного патента.

Термоэлектрический эффект. Несмотря на то, что термоэлектрические эффекты были открыты в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, в 1858 году Уильям Томсоном (Кельвином), практическое применение они нашли только во второй половине двадцатого века. Явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из соединенных разнородных проводников, между которыми имеется градиент температуры, получило название эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. Технология изготовления преобразователей сложная и дорогостоящая, поэтому они не нашли широкого применения. В бытовой сфере термоэлектрические модули практически не применяются, из-за высокой стоимости по отношению к массовому бытовому оборудованию. Кроме этого, применение термоэлектрических модулей ограничивается тем, что массовые технологии производства настроены на изготовление термоэлектрических модулей на стандартной ситалловой (стеклокерамический материал) подложке размерами 40*40 и 60*48 мм.