211service.com
Wydajniejsze termoelektryki
Poprawiając właściwości elektroniczne popularnego materiału termoelektrycznego – rodzaju półprzewodnika, który przekształca ciepło w energię elektryczną – naukowcy podwoili jego wydajność, czyniąc go bardziej praktycznym w wytwarzaniu energii elektrycznej z ciepła odpadowego, takiego jak wytwarzane w elektrowniach i silnikach samochodowych.
Ogrzewanie elektryczne: Niewielka próbka nowego materiału do zamiany ciepła na energię elektryczną jest podłączona do przewodów elektronicznych i malutkiej grzałki do testowania.
Termoelektryki nie były powszechnie stosowane do wytwarzania energii elektrycznej, ponieważ są drogie i nieefektywne. Aby zwiększyć efektywność, naukowcy m.in Józefa Heremansa , profesor inżynierii mechanicznej i fizyki na Ohio State University, dodał śladowe ilości talu do tellurku ołowiu, materiału termoelektrycznego, który od dziesięcioleci wytwarza energię elektryczną na pokładzie sond kosmicznych. Dodany tal podwoił zdolność materiału do przekształcania ciepła w energię elektryczną poprzez zwiększenie wytwarzanego przez niego napięcia. Heremans twierdzi, że poprawa wydajności mogłaby przełożyć się na 10-procentowy wzrost oszczędności paliwa w samochodach, gdyby urządzenia te były używane do zastępowania alternatorów w samochodach poprzez wytwarzanie energii elektrycznej z ciepła w spalinach. Nowe materiały zostały opisane w numerze czasopisma z tego tygodnia Nauka .
Nowa praca jest ważna z kilku powodów, mówi Gang Chen , profesor inżynierii mechanicznej na MIT, który nie był zaangażowany w prace. Po pierwsze, jest to dość imponujący wzrost wydajności jednego rodzaju materiału termoelektrycznego – mówi. Konwencjonalne termoelektryki z tellurku ołowiu przekształcają około 6% energii cieplnej w energię elektryczną. Po włączeniu do generatora termoelektrycznego, wydajniejszy materiał wzbogacony talem może zwiększyć to do 10 procent, po uwzględnieniu strat, takich jak te związane z wykonywaniem połączeń elektrycznych.
Co ważniejsze, mówi Chen, praca Heremansa daje naukowcom nowy sposób na ulepszenie materiałów termoelektrycznych, które mogą zwiększyć wydajność szerokiej gamy materiałów eksperymentalnych. Materiały termoelektryczne są dobrymi przewodnikami elektronicznymi, ale słabymi przewodnikami termicznymi: różnica ciepła w materiale w dużej mierze odpowiada za właściwości termoelektryczne. Prawie wszystkie najnowsze ulepszenia materiałów termoelektrycznych – a w ciągu ostatnich kilku lat nastąpiły znaczne ulepszenia – mają miejsce wraz ze spadkiem ich przewodności cieplnej. Heremans i jego koledzy próbowali innego podejścia, zwiększając napięcie wytwarzane przez materiały. To znaczy, mówi Heremans, zmuszamy elektrony do wykonywania większej pracy.
Techniki zastosowane do obniżenia przewodności cieplnej można wykorzystać do uzupełnienia nowych technik opracowanych przez Heremansa i jego współpracowników. To pozwoliłoby naukowcom ponownie podwoić wydajność materiałów, sugeruje Heremans. A to z kolei sprawi, że urządzenia termoelektryczne będą konkurencyjne w stosunku do konwencjonalnych generatorów, mówi: Jeffrey Snyder , badacz materiałoznawstwa w Caltech i jeden z innych badaczy zaangażowanych w Nauka papier.
Jedną z wad nowych materiałów jest to, że tal jest niezwykle toksyczny, więc wymagałby zabezpieczeń podczas produkcji i utylizacji. (Podczas użytkowania materiały są hermetyzowane i dlatego stanowią mniejsze zagrożenie.) Jednak Heremans twierdzi, że urządzenia można wyjmować ze starych samochodów i zakładać na nowe, ponieważ mogłyby z łatwością wytrzymać żywotność kilku pojazdów, zmniejszając utylizację odpadów problemy.
Heremans jest optymistą, że nowe materiały mogą być szybko skomercjalizowane, ponieważ inżynierowie mają już wieloletnie doświadczenie w pracy z tellurkiem ołowiu. Mówi, że pierwsze produkty, prawdopodobnie generatory termoelektryczne, które przekształcają spaliny samochodowe w energię elektryczną, mogą być gotowe za trzy do czterech lat.