Преобразовать тепло в электричество: GMZ Energy » — , , ,

Содержание

Создан материал, превращающий тепло в электричество с рекордной эффективностью

Исследователи из Австрии, Японии и Китая представили термоэлектрический преобразователь с эффективностью почти в два раза выше существующих аналогов. Статья исследователей была опубликована в журнале Nature.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию . Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если существует разница температур между двумя концами такого материала, то он может создавать электрический ток в цепи, в которую включен. Количество электрической энергии, которое может быть произведено при заданной разности температур, измеряется значением добротности ZT: чем выше этот показатель, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие термоэлектрики на сегодняшний день имеют значение ZT от 2,5 до 2,8. Разработанный учеными новый материал в два раза превышает эти показатели: его ZT колеблется от 5 до 6. Этот рекордный композит представляет собой тонкие слои железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенные на кристалл кремния.

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые очень трудно совместить, — подчеркивает один из исследователей, профессор Института физики твердого тела Венского технического университета Эрнст Бауэр. — С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, а с другой — как можно хуже переносить тепло. Это сложная задача, поскольку электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

Атомы в слоях этого материала расположены в регулярной гранецентрированной кубической решетке. Однако при нанесении тонкого слоя на кристалл кремния наблюдается удивительный эффект: их структура радикально меняется. Хотя атомы все еще имеют кубическую решетку, теперь она оказывается объемно-центрированной, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. Эта смесь регулярности и нерегулярности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле.

Электрический заряд движется через материал особыми порциями — фермионами Вейля — безмассовыми частицами, переносящими возмущение кристаллической решетки и электроны. С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, замедляются из-за неравномерностей в кристаллической структуре. Поэтому теплопроводность материала уменьшается.

Новый материал, по словам ученых, настолько эффективен, что его можно было бы использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того чтобы подключать небольшие устройства к кабелям, они могли бы генерировать свое собственное электричество из перепадов температур.

Новый материал бьет рекорды по преобразованию тепла в электричество

Георгий Голованов

Материал нового типа, созданный австрийскими учеными, использует разницу температур для выработки электрического тока. Изобретение открывает дорогу к изготовлению энергонезависимых сенсоров и даже небольших процессоров.

19

Термоэлектрические материалы превращают тепло в электроэнергию в результате эффекта Зеебека: если между двумя концами такого материала есть разница в температуре, возникает электрическое напряжение. Объем электрической энергии, которая вырабатывается таким образом, измеряется в показатели добротности, или ZT: чем он выше, тем лучше термоэлектрические свойства, пишет Phys.org.

«Хороший термоэлектрический материал должен в достаточной мере демонстрировать эффект Зеебека и отвечать двум важным требованиям, которые сложно примирить в одном материале, — объяснил профессор Эрнст Бауэр. — С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой — он должен проводить тепло как можно хуже. Это непросто, поскольку электро- и теплопроводность обычно идут рука об руку».

До сих пор наивысшим показателем ZT было значение около 2,5 — 2,8. Ученые из Технического университета Вены разработали совершенно новый материал с добротностью 5-6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия на кристалле кремния.

Новый материал оказался настолько эффективным, что его можно использовать для питания сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров, то есть он идеально подходит для устройств интернета вещей. Такая «батарейка» сделает их дешевле и компактнее, ведь дополнительных аккумуляторов или подвода питания не нужно — они сами будут генерировать достаточно электроэнергии за счет разницы температур.

Специалисты MIT решили проблему замены батареек в сенсорах на морском дне. Передатчик на поверхности посылает акустические волны, заставляя вибрировать пьезоэлектрический материал внутри сенсора. В результате колебаний возникает электрический ток, с помощью которого сенсор отражает модифицированный акустический сигнал обратно в приемник.

FacebookВконтакте19WhatsAppTelegram


Термоэлектрический генератор — конвертируем тепло в электричество термогенератором

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня.

При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Шаг 1: Необходимые детали

  1. 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
  2. Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
  3. Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
  4. Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
  5. Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
  6. Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
  7. Резак для резки тонких металлов
  8. Ножницы по металлу
  9. Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
  10. Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
  11. Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
  12. Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
  13. Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
  14. 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
  15. 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
  16. Толстая медная проволока
  17. Цифровой мультиметр

Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.

Шаг 2: Конструирование

Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.

Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.

Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.

Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора.

В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т.д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Файлы

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

  1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
  2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
  3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
  4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
  5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
  6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
  7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
  8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

Ученые придумали, как преобразовывать отработанное тепло в электричество

Сегодня при получении электричества из ископаемого топлива теряется больше 65% энергии. Если появится технология, которая будет улавливать это тепло и преобразовывать из него электричество, то это поможет в сохранении окружающей среды.

Чтобы решить проблему потери тепла и потенциальной энергии, ученые из Северо-Западного университета создали перспективный термоэлектрический материал в виде монокристаллического соединения селенида олова (SnSe). Проблемой оставалась высокая хрупкость монокристаллической формы соединения, что затрудняло практическое использование находки. При этом более устойчивая и пластичная поликристаллическая форма соединения оказалась недостаточно подходящей для термоэлектрического преобразования. В поликристаллическом виде селенид олова обладает высокой теплопроводностью. Это нивелирует уникальные термоэлектрические характеристики материала.

В итоге, ученые нашли проблему — оказалось, что она заключалась в образовании оксидной плёнки на поверхности соединения. Чтобы решить ее, эксперты испытали технический процесс, при котором ученые исключили кислород из цепочки химических реакций. В итоге исследователи получили селенид олова в поликристаллической форме был получен без примесей оксидов.

Эффективность преобразования отработанного тепла в «чистом» поликристаллическом соединении селенида олова составила примерно 3,1 ZT при температуре 783 К (510 °C). 

Авторы исследования отмечают, что производство нового материала можно запустить без каких-либо трудностей.


Читать далее

Замедление вращения Земли вызвало выброс кислорода на планете

На Большом адронном коллайдере открыли новую частицу

Ученые нашли самый древний пример прикладной геометрии

Пироэлектрическая нанопленка превратит тепло от электрического тока снова в ток

Shishir Pandya

Американские ученые получили пироэлектрический материал, преобразующий тепловую энергию в электрическую с рекордными значениями плотности энергии и коэффициента полезного действия. Этот материал представляет собой пленку сегнетоэлектрического релаксора толщиной 150 нанометров и в будущем его можно использовать для повышения эффективности потребления энергии, пишут ученые в Nature Materials.

Чтобы повысить эффективность потребления энергии, обычно стремятся свести к минимуму все ее возможные потери. Для этого можно или повышать эффективность первичного использования энергии, или каким-то образом использовать вторичную энергию, не использованную изначально. Один из вариантов второго подхода — использование тепловой энергии, которая выделяется в электронных устройствах. Поскольку на ненужный разогрев тратится до 70 процентов всей энергии, разработка эффективных способов преобразования тепла — актуальная проблема для современной энергетики развитых стран. Обычно для этого предлагают использовать термоэлектрические устройства, которые преобразуют в электричество разницу температур или более сложные устройства, например термогальванические ячейки, однако в поиске более эффективных методов ученые иногда предлагают и другие материалы и методы.

Американские ученые под руководством Лейна Мартина (Lane W. Martin) из Калифорнийского университета в Беркли разработали новый способ эффективного преобразования тепла, которое выделяется в проводах, в электрический ток. Для этого они предложили использовать пленку из материала, который на треть состоит из титаната свинца, а на две трети — из смешанного ниобата свинца и магния. Этот материал обладает свойствами сегнетоэлектрического релаксора, то есть при определенной температуре может переходить в поляризованное состояние, при этом такой переход происходит не скачком, а сильно растягивается по температуре. За счет этого материал можно использовать как пироэлектрик, то есть при нагревании в нем происходит разделение зарядов и возникает разность потенциалов.

Исследователи предложили использовать для преобразования тепла не объемный материал, а пленку толщиной всего 150 нанометров, что дает возможность для применения подхода в широком диапазоне температурных колебаний и электрических напряжений. Предложенную концепцию ученые проверили с помощью специального многослойного устройства, в котором можно было измерять пироэлектрический, сегнетоэлектрический и диэлектрический отклик материала в ответ на изменение температуры, а также при приложении внешнего электрического поля.

Схема устройства, в котором выделяющееся тепло используется для получения электрического тока. Пироэлектрическая пленка обозначена розовым цветом

S. Pandya et al./ Nature Materials, 2018

Результаты экспериментальных измерений показали, что использованный учеными материал значительно превосходит другие использующиеся для подобных целей пироэлектрики: его пироэлектрический коэффициент доходит до ​550 микрокулонов на квадратный метр при увеличении температуры на один градус. Кроме того, оказалось, что его пироэлектрический эффект можно контролируемо увеличивать за счет внешнего электрического напряжения. В результате ученым удалось достичь рекордных показателей для пироэлектрических материалов сразу по нескольким параметрам: плотность энергии достигла 1,06 джоуля на кубический сантиметр, плотность мощности — 526 ватт на кубический сантиметр. Эффективность этого материала тоже оказалась максимальной — 19 процентов от КПД цикла Карно. Эти показатели очень близки к параметрам лучших термоэлектрических материалов при разнице температур в 10 градусов.

Ученые отмечают, что следующим этапом работы станет оптимизация геометрии самой пленки и всего устройства для работы с реальными тепловыми потоками от проводящих элементов различных устройств. Однако исходя из полученных данных уже сейчас можно утверждать, что такие пироэлектрические пленки могут стать одним из наиболее эффективных материалов для преобразования вторичного тепла в полезную энергию.

Использованные учеными сегнетоэлектрические релаксоры — довольно необычный класс материалов, свойства которых до конца не изучены. Например, до сих пор не определена точная причина необычного растянутого фазового перехода релаксоров. Недавно ученые обнаружили, что это явление может быть связано с градиентной сменой упорядоченных и неупорядоченных с точки зрения химического состава областей внутри кристалла.

Александр Дубов

Преобразование тепла в электричество полупроводниками

«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников — материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существовали последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются»

Открытие, опубликованное в журнале [1] Science Advances, может обеспечить более эффективную выработку электроэнергии из тепла, используя такие источники, как выхлопные газы автомобилей, сброс тепла в промышленных процессах и прочее.

«Благодаря этому открытию можно будет производить больше электрической энергии из тепла, чем это делается сегодня». «Это то, о чем до сих пор никто даже не думал, что это возможно».

Открытие основано на крошечных частицах, называемых парамагнонами — веществах, которые не совсем магниты, но сохраняют некоторые магнитные свойства. Это важно, потому что у магнитов при нагревании ослабевает магнитное поле, и они приобретают так называемые парамагнитные свойства.

Поток магнетизма — это то, что ученые называют «спинами», создающими тип энергии, называемой термоэлектричеством магнонного сопротивления, которое до этого открытия не предполагалось использовать для сбора энергии.

«То, что было найдено, это новый способ конструирования термоэлектрических полупроводников — материалов, которые преобразуют тепло в электричество. Обычные термоэлектрики, которые существовали последние 20 лет или около того, неэффективны и дают слишком мало энергии, поэтому широко не используются».

Магниты привлекают внимание в качестве средства сбора тепловой энергии, когда одна сторона магнита нагревается, другая сторона — более холодная — намагничивается, вызывая спиновое вращение, которое приводит в движение электроны, создающие электрический ток. В то же время, при нагреве магнитов, они теряют большую часть своих магнитных свойств, превращаясь в парамагнетики — «почти, но уже не совсем магниты».

Исследовательская группа тестировала парамагноны, чтобы выяснить, могут ли они в определенных обстоятельствах создавать необходимое спиновое вращение, чтобы привести в движение электроны. По их словам, они обнаружили, что парамагноны действительно могут поддерживать этот процесс. И это, по их словам, позволяет генерировать электричество из тепла.

 

Ссылки:

1. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aat9461

 

Источник: ScienceDaily

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

  • Самойлович А. Г. «Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии» 2007
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е.А. «Термоэлектрическая энергетика» 1974
  • Бернштейн А. С. «Термоэлектричество» 1957
  • Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства» 1979

Превращение тепла в электричество | MIT News

Что, если бы вы могли запускать кондиционер не от обычного электричества, а от солнечного тепла в теплый летний день? Благодаря достижениям в термоэлектрических технологиях это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства изготавливаются из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество, не требуя каких-либо движущихся частей — качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества.Это явление обратимо: если электричество приложить к термоэлектрическому устройству, оно может вызвать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервирование батарей космических зондов и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут собирать тепло, производимое в качестве побочного продукта промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло в электричество.Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которую они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института открыли способ увеличить эту эффективность втрое, используя «топологические» материалы, которые обладают уникальными электронными свойствами. В то время как прошлые работы предполагали, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи из Массачусетского технологического института идентифицируют основное свойство, которое делает определенные топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурированного материала таким образом, чтобы топологические материалы стали хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», — говорит Те-Хуан Лю, постдок факультета машиностроения Массачусетского технологического института. .«В конце концов, это может быть экологически чистый способ помочь нам использовать источник тепла для выработки электроэнергии, что уменьшит выброс углекислого газа».

Лю — первый автор статьи PNAS , в которую входят аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичэнь Сун; Минда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, доцент кафедры физики Биденхарна; и Ганг Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию температурного градиента — например, один конец нагревается, а другой охлаждается, — электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному концу, генерируя электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и вырабатывается больше энергии. Количество энергии, которое может быть сгенерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования — метода, который ученые используют для синтеза материала, моделируя его свойства в масштабе нанометров. Ученые полагают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью в их наноструктурах. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также проявляют особые свойства, имитирующие класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Команда стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова путем моделирования пути электронов через материал.Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средним свободным пробегом», или средним расстоянием, на которое электрон с заданной энергией может свободно пройти в материале, прежде чем будет рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый из которых имеет границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию различным образом рассеиваться.Электроны с большой длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетирующие от стенки, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега пострадают гораздо меньше.

В ходе моделирования исследователи обнаружили, что электронные характеристики теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега. Они построили график диапазона энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличался от графика для большинства обычных полупроводников.В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов, результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно обладают большей длиной свободного пробега.

Затем группа исследовала, как эти электронные свойства влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, суммируя термоэлектрические вклады электронов с разной энергией и длиной свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов при градиенте температуры во многом зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности напряжений и, следовательно, на электрический ток. Эти низкоэнергетические электроны также имеют более длинные длины свободного пробега, что означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны более высоких энергий.

Уменьшение размера

Сделав еще один шаг в своем моделировании, команда поиграла с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы увидеть, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте.Они обнаружили, что, когда они уменьшили диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть с меньшими размерами зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткие длины свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются по границам зерен. Это приводит к возникновению большей разницы напряжений.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерен теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал мог бы произвести с более крупными зернами.

Лю говорит, что хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут достичь аналогичных характеристик, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерен с помощью техники наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер будет намного больше, чем 10 нанометров.

«В ходе моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем предполагалось ранее, и, основываясь на этой концепции, мы можем повысить его эффективность», — говорит Лю.

Теллурид олова — лишь один из примеров многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. Лю говорит, что если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я думаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих приложений», — говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Центром преобразования твердотельной солнечной тепловой энергии, исследовательским центром Energy Frontier Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Дешевый материал преобразует тепло в электричество | Наука

Очищенный поликристаллический селенид олова может стать основой для дешевых устройств, преобразующих отходящее тепло в электричество.

Северо-Западный университет

Автор Роберт Ф. Сервис

Так называемые термоэлектрические генераторы превращают отработанное тепло в электричество без выбросов парниковых газов, обеспечивая то, что похоже на бесплатный обед. Но, несмотря на то, что они помогли привести в действие марсоходы, высокая стоимость этих устройств помешала их широкому использованию. Теперь исследователи нашли способ делать дешевые термоэлектрики, которые работают так же хорошо, как и дорогие.Эта работа может проложить путь к новому поколению более экологичных автомобильных двигателей, промышленных печей и других устройств для выработки энергии.

«Похоже, это очень разумный способ добиться высокой производительности», — говорит Ли-Донг Чжао, ученый-материаловед из Университета Бейхан, который не принимал участия в работе. Он отмечает, что необходимо сделать еще несколько шагов, прежде чем эти материалы станут высокопроизводительными термоэлектрическими генераторами. Однако он говорит: «Я думаю, что это будет использовано в недалеком будущем.

Термоэлектрики — это полупроводниковые устройства, размещенные на горячей поверхности, например, в автомобильном двигателе, работающем на газе. Это дает им горячую и прохладную сторону, вдали от горячей поверхности. Они работают, используя тепло для перемещения электрических зарядов от одного к другому. Если устройство позволяет горячей стороне нагревать прохладную сторону, электричество перестает течь. Успех устройства в предотвращении этого, а также его способность проводить электроны учитываются в оценке, известной как показатель качества, или ZT.

За последние два десятилетия исследователи создали термоэлектрические материалы с увеличивающимся ZT.Рекорд был достигнут в 2014 году, когда Меркури Канатзидис, ученый-материаловед из Северо-Западного университета, и его коллеги создали монокристалл селенида олова с ZT 3,1. Однако материал был трудным в изготовлении и слишком хрупким, чтобы работать с ним. «Для практических приложений это не пусковой механизм», — говорит Канатзидис.

Итак, его команда решила сделать свои термоэлектрики из легкодоступных порошков олова и селена, которые после обработки дают зерна поликристаллического селенида олова вместо монокристаллов.Поликристаллические зерна дешевы, их можно нагревать и прессовать в слитки длиной от 3 до 5 сантиметров, из которых можно делать устройства. Поликристаллические слитки также более прочные, и Канатзидис ожидал, что границы между отдельными зернами замедлят прохождение тепла. Но когда его команда проверила поликристаллические материалы, их теплопроводность резко возросла, и их оценка ZT упала до 1,2.

В 2016 году команда Северо-Запада обнаружила источник проблемы: ультратонкая пленка из оксида олова образовывалась вокруг отдельных зерен поликристаллического селенида олова, прежде чем они были спрессованы в слитки.И эта кожа действовала как экспресс-путь, по которому тепло передавалось от зерна к зерну через материал. Итак, в своем текущем исследовании Канатзидис и его коллеги придумали способ использовать тепло, чтобы отогнать кислород от порошкообразных предшественников, оставив безупречный поликристаллический селенид олова.

Результатом, о котором они сообщают сегодня в Nature Materials , была не только теплопроводность ниже, чем у монокристаллического селенида олова, но также ZT, равный 3,1. «Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и для изучения их применения», — говорит Канатзидис.

Чтобы пройти через эту дверь, потребуется время. Поликристаллический селенид олова, который делает команда, насыщен атомами натрия, создавая так называемый материал «p-типа», который проводит положительные заряды. Для создания рабочих устройств исследователям также нужна версия «n-типа» для проведения отрицательных зарядов.

Команда Чжао недавно сообщила о создании монокристаллического селенида олова n-типа путем добавления в него атомов брома. И Канатзидис говорит, что его команда сейчас работает над созданием поликристаллической версии n-типа.После объединения устройств на основе селенида олова n-типа и p-типа у исследователей должен быть четкий путь к созданию нового поколения ультраэффективных термоэлектрических генераторов. Их можно установить повсюду, от автомобильных выхлопных труб до водонагревателей и промышленных печей, чтобы утилизировать 65% энергии ископаемого топлива, которая превращается в отработанное тепло.

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Проф.Эрнст Бауэр в лаборатории. Предоставлено: TU Wien.

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток из-за разницы температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам обеспечивать себя энергией по беспроводной сети.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это происходит из-за так называемого эффекта Зеебека: если между двумя концами такого материала существует разница температур, может возникнуть электрическое напряжение, и ток может протечь.Количество электроэнергии, которое может быть произведено при заданной разнице температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие на сегодняшний день термоэлектрики были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученым из TU Wien (Вена) теперь удалось разработать совершенно новый материал со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли вырабатывать собственное электричество за счет разницы температур. Новый материал теперь представлен в журнале Nature .

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен обладать сильным эффектом Зеебека и соответствовать двум важным требованиям, которые трудно согласовать», — говорит проф.Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела Венского технического университета. «С одной стороны, он должен проводить электричество как можно лучше; с другой стороны, он должен как можно хуже переносить тепло. Это проблема, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Лаборатории термоэлектричества им. Христиана Доплера, которую Эрнст Бауэр основал в Венском техническом университете в 2013 году, в течение последних нескольких лет изучались различные термоэлектрические материалы для различных применений.Это исследование привело к открытию особенно замечательного материала — комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно расположены строго регулярным образом в так называемой гранецентрированной кубической решетке», — говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно и для других типов атомов.Таким образом, весь кристалл полностью правильный ».

Однако, когда на кремний наносится тонкий слой материала, происходит нечто удивительное: кардинально меняется структура. Хотя атомы по-прежнему образуют кубический узор, теперь они расположены в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится полностью случайным. «Два атома железа могут находиться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует правила, определяющего, где следующий атом железа должен находиться в кристалле», — объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и неправильности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле. «Электрический заряд движется через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля», — говорит Эрнст Бауэр. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются из-за неоднородностей кристаллической структуры. Следовательно, теплопроводность снижается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно вырабатываться из-за разницы температур — потому что, если разницы температур могут уравновеситься очень быстро и весь материал вскоре будет иметь одинаковую температуру повсюду, термоэлектрический эффект прекратится.

Электроэнергия для Интернета вещей

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но он имеет то преимущество, что он чрезвычайно компактен и легко адаптируется», — говорит Эрнст Бауэр.«Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных устройств». Спрос на такие маломасштабные генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств соединяются в сети, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно многообещающе для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамически реагировать на другую.

«Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не можете соединить их все вместе. Гораздо разумнее, чтобы датчики могли генерировать собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства », — говорит Бауэр.


Как заморозить теплопроводность
Дополнительная информация: B. Hinterleitner et al.Термоэлектрические характеристики метастабильного тонкопленочного сплава Гейслера, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1751-9 Предоставлено Венский технологический университет

Цитата : Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество (2019, 14 ноября) получено 24 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-11-material-world-electric.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

исследователей нашли новый способ преобразования отработанного тепла в электричество для питания небольших устройств

Эта диаграмма показывает исследователям, как существует электрическая энергия в образце Fe3Ga.Кредит: © 2020 Sakai et al

Тонкий генератор на основе железа использует отходящее тепло для выработки небольшого количества энергии.

Исследователи нашли способ преобразовать тепловую энергию в электричество с помощью нетоксичного материала. В основном это железо, которое очень дешево, учитывая его относительное количество. Генератор на основе этого материала может питать небольшие устройства, такие как удаленные датчики или носимые устройства. Материал может быть тонким, поэтому ему можно придать различные формы.

Не бывает бесплатного обеда или бесплатной энергии.Но если ваши потребности в энергии достаточно низки, например, в случае небольшого датчика какого-либо типа, то есть способ использовать тепловую энергию для обеспечения вашего питания без проводов или батарей. Научный сотрудник Акито Сакаи и члены группы из его лаборатории Института физики твердого тела и факультета физики Токийского университета под руководством профессора Сатору Накацудзи и из Департамента прикладной физики под руководством профессора Риотаро Арита предприняли шаги в этом направлении. goal с их инновационным термоэлектрическим материалом на основе железа.

Термоэлектрические устройства, основанные на аномальном эффекте Нернста (слева) и эффекте Зеебека (справа). (V) представляет направление тока, (T) градиент температуры и (M) магнитное поле. Кредит: © 2020 Sakai et al

«До сих пор все исследования термоэлектрической генерации были сосредоточены на установленном, но ограниченном эффекте Зеебека», — сказал Накацудзи. «Напротив, мы сосредоточились на относительно менее известном явлении, называемом аномальным эффектом Нернста (АНЭ)».

ANE создает напряжение, перпендикулярное направлению температурного градиента на поверхности подходящего материала.Это явление может помочь упростить конструкцию термоэлектрических генераторов и повысить их эффективность преобразования, если подходящие материалы станут более доступными.

Диаграмма, показывающая узловую сетевую структуру, ответственную за аномальный эффект Нернста. Кредит: © 2020 Sakai et al

«Мы сделали материал, состоящий на 75 процентов из железа и на 25 процентов из алюминия (Fe3Al) или галлия (Fe3Ga), с помощью процесса, называемого легированием», — сказал Сакаи. «Это значительно повысило ANE. Мы увидели 20-кратный скачок напряжения по сравнению с нелегированными образцами, что было захватывающе.”

Это не первый раз, когда команда демонстрирует ANE, но в предыдущих экспериментах использовались материалы, менее доступные и более дорогие, чем железо. Привлекательность этого устройства отчасти заключается в его дешевизне и нетоксичности, но также в том, что оно может быть изготовлено в виде тонкой пленки, чтобы его можно было формовать для различных применений.

«Тонкие и гибкие конструкции, которые мы теперь можем создавать, могут собирать энергию более эффективно, чем генераторы, основанные на эффекте Зеебека», — пояснил Сакаи.«Я надеюсь, что наше открытие может привести к созданию термоэлектрических технологий для питания носимых устройств, удаленных датчиков в труднодоступных местах, где использование батарей нецелесообразно, и многого другого».

До недавнего времени такое развитие материаловедения в основном происходило в результате многократных итераций и уточнений в экспериментах, которые были трудоемкими и дорогостоящими. Но команда в значительной степени полагалась на вычислительные методы для численных расчетов, эффективно сокращая время между первоначальной идеей и доказательством успеха.

«Численные расчеты внесли большой вклад в наше открытие; например, высокоскоростные автоматические вычисления помогли нам найти подходящие материалы для испытаний », — сказал Накацудзи. «И расчеты из первых принципов, основанные на квантовой механике, сокращают процесс анализа электронных структур, которые мы называем узловыми паутинами, которые имеют решающее значение для наших экспериментов».

«До сих пор такой вид числовых вычислений был чрезмерно трудным», — сказал Арита. «Мы надеемся, что не только наши материалы, но и наши вычислительные методы могут быть полезными инструментами и для других.Мы все стремимся когда-нибудь увидеть устройства, основанные на нашем открытии ».

###

Ссылка: «Бинарные ферромагнетики на основе железа для поперечного термоэлектрического преобразования» Акито Сакаи, Сусуму Минами, Такаши Корецунэ, Тайши Чен, Томоя Хиго, Янмин Ван, Такуя Номото, Мотоаки Хираяма, Синдзи Мива, Дайсуке Нишио-Хаманеи, Фумий Фумий Рётаро Арита и Сатору Накацудзи, 27 апреля 2020 г. , Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

Эта работа частично поддержана CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Японским агентством науки и технологий, грантами на научные исследования в инновационных областях (JP15H05882 и JP15H05883) Министерства образования, культуры и спорта, Наука и технологии Японии, а также грантами на научные исследования (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) Японского общества содействия науке (JSPS).Работа по расчету из первых принципов была частично поддержана грантом JSPS для научных исследований в инновационных областях (JP18H04481 и JP19H05825) и MEXT в качестве приоритетной социальной и научной задачи (Создание новых функциональных устройств и высокопроизводительных материалов. для поддержки отраслей следующего поколения), с которой можно будет справиться с помощью компьютера post-K (hp180206 и hp1

).

преобразование отработанного тепла в электричество даже при небольших перепадах температур

Отработанное тепло, например, от систем отопления, обычно просто рассеивается. Он излишне нагревает подвальные помещения и их производственную среду, не принося никакой пользы. Однако устойчивое энергоснабжение включает включение этого отходящего тепла в энергоснабжение. Немецкие и японские ученые сделали большой шаг к цели преобразования избыточного тепла в электричество при низких перепадах температур.

Во многих технических процессах используется только часть подводимой энергии. Различное количество остатка покидает систему в виде остаточного тепла, которое, в свою очередь, само может быть использовано для выработки тепла или выработки электроэнергии, если оно не останется неиспользованным.Чем выше температура этого отходящего тепла, тем проще и экономичнее будет его использовать. Но есть также способ использовать низкотемпературные отходы тепла, а именно через термоэлектрические генераторы, которые преобразуют тепло непосредственно в электричество. Однако пока это создает проблему: термоэлектрические материалы дороги и иногда токсичны. Термоэлектрические генераторы также требуют больших перепадов температур для достижения относительно небольшого эффекта.

Термомагнитный вместо термоэлектрического

Но есть альтернатива.Еще в 19 веке исследователи представили первые концепции термомагнитных генераторов. Между тем, такие генераторы на основе сплавов, магнитные свойства которых сильно зависят от температуры, представляют собой многообещающую альтернативу термоэлектрическим генераторам. В этом случае изменяющаяся намагниченность в приложенной катушке индуцирует электрическое напряжение. Однако загвоздка в том, что электрическая мощность этих генераторов пока оставляет желать лучшего.

Подпишитесь на нашу рассылку новостей!

Ваш еженедельный обзор инноваций Каждое воскресенье лучшие статьи недели в вашем почтовом ящике.

Дополнительные статьи по использованию отходящего тепла

Ученым из Института технологии микроструктур (IMT) KIT и Университета Тохоку в Японии теперь удалось значительно увеличить электрическую мощность термомагнитных генераторов по отношению к их площади основания. «Благодаря результатам нашей работы, термомагнитные генераторы могут впервые составить конкуренцию известным термоэлектрическим генераторам», — говорит профессор Манфред Коль, руководитель исследовательской группы «Умные материалы и устройства» в IMT KIT. «Таким образом, мы значительно приблизились к цели преобразования отработанного тепла в электричество при небольшой разнице температур». Работа команды — тема обложки в текущем выпуске журнала исследований в области энергетики Joule.

Концепция: утилизация отходящего тепла при температуре, близкой к комнатной

В качестве тонких пленок в термомагнитных генераторах магнитные интерметаллические соединения, известные как сплавы Гейслера, обеспечивают большое изменение намагниченности в зависимости от температуры и быструю теплопередачу. Исследователи объяснили, что это основа новой концепции резонансного самовозбуждения.По их словам, даже при небольшой разнице температур в устройствах могут возникать резонансные колебания, которые можно эффективно преобразовать в электричество.

Однако электрические характеристики отдельных устройств, по их словам, низкие, и масштабирование зависит в первую очередь от разработки материалов и конструкции. В своей работе над сплавом никель-марганец-галлий немецкие и японские исследователи обнаружили, «что толщина слоя сплава и площадь основания устройства влияют на электрические характеристики в противоположных направлениях. «Основываясь на этом открытии, они смогли увеличить электрическую мощность в 3,4 раза по сравнению с площадью основания. Для этого увеличили толщину слоя сплава с пяти до 40 микрометров.

В результате термомагнитные генераторы достигли максимальной выходной мощности 50 микроватт на квадратный сантиметр при изменении температуры всего на три градуса Цельсия. «Эти результаты открывают путь для разработки индивидуальных термомагнитных генераторов, подключенных параллельно, с возможностью использования избыточного тепла, близкого к комнатной температуре», — объясняет Коль.

Фото на обложке: Термомагнитные генераторы основаны на тонких магнитных пленках, свойства которых сильно зависят от температуры. © IMT / KIT

Как работают термоэлектрики? — Силовой практический

А теперь вернемся к термоэлектрике!

Строго говоря, термоэлектрические генераторы принимают разность температур и превращают ее в электрическую энергию. Удивительно, но эти материалы можно использовать и в обратном направлении! Если вы включите термоэлектрический генератор, вы создадите разницу температур.В небольших мини-холодильниках, рассчитанных всего на несколько напитков, используются термоэлектрические генераторы для эффективного охлаждения нескольких напитков.


Чтобы понять, как термоэлектрики генерируют электричество из-за разницы температур, мы должны немного узнать о том, как движутся электроны в металле. Металлы являются хорошими проводниками, потому что электроны могут свободно перемещаться внутри них, как жидкость в трубе. Представьте, что у вас есть труба, полная воды, и вы поднимаете один конец, что происходит? Вода будет стекать по трубе от верхнего конца к нижнему.Это потому, что когда вы поднимаете трубу, вы увеличиваете потенциальную энергию, и вода хочет течь вниз. В термоэлектрическом материале то же самое происходит с жидкообразными электронами, когда вы его нагреваете.

Нагрев одного конца термоэлектрического материала заставляет электроны перемещаться от горячего конца к холодному концу. Когда электроны переходят с горячей стороны на холодную, это вызывает электрический ток, который PowerPot использует для зарядки USB-устройств. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и, следовательно, больше энергии.

Сложность термоэлектрических генераторов заключается в том, что при нагревании горячей стороны нагревается и холодная сторона генератора. Для выработки энергии с помощью термоэлектрического генератора вам понадобится как источник тепла, так и способ рассеивания тепла, чтобы поддерживать разницу температур между термоэлектрическими материалами. Это делается без движущихся частей путем нагрева воды в PowerPot. Вода удерживает в несколько раз больше тепла, чем алюминий на фунт, поэтому из нее получается прекрасный радиатор.Кроме того, вода никогда не нагревается выше 212 F (100 C) при кипении, что эффективно ограничивает максимальную температуру «холодной» стороны термоэлектрического генератора. Поэтому в PowerPot всегда должно быть что-то водянистое, иначе термоэлектрический генератор может перегреться.

ученых нашли лучший способ превратить тепло в электричество, изменив стандартное правило

Инженеры обычно рассматривают тепло как «пустую энергию», поскольку ее трудно эффективно превратить во что-то полезное.Однако новый класс термоэлектрических материалов может изменить это после того, как исследователи решили попробовать прямо противоположный обычному подходу. Статья в Science Advances объясняет почему, ускоряя поиск еще лучших версий.

Как следует из названия, термоэлектрические материалы превращают тепло в электричество, минуя стадию кипения воды, которая используется в большинстве массовых производств электроэнергии. Однако из-за стоимости и неэффективности термоэлектрические генераторы ограничиваются нишевыми приложениями, такими как питание космических кораблей, таких как марсоход Mars Perseverance, где легкое и надежное производство энергии имеет большее значение, чем цена.

Термоэлектрические материалы слишком дороги и загрязняют окружающую среду для более широкого использования, но новые версии, заменяющие более тяжелые элементы магнием, могут изменить это, открывая дверь для еще более совершенных вариантов, которые могут найти широкое применение.

Термоэлектрические материалы работают за счет создания тока между горячей и холодной сторонами. К сожалению, если материал проводит что-то вроде тепла, а также проводит электричество, температуры выравниваются, перекрывая ток. Таким образом, материалы должны быть теплоизолирующими, что чаще ассоциируется с тяжелыми металлами, чем с легкими, поэтому ученые, работающие в этой области, сосредоточились на более крупных атомах.

Когда другие ученые попробовали материалы на основе магния, на всякий случай, они были удивлены, обнаружив, что они работают на удивление хорошо.

Д-р Оливье Делер из Университета Дьюка подтвердил, что эти материалы Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2, работают в три раза так же, как кальций и иттербий, элементы с большим количеством протонов и аналогичными химическими свойствами, которые может также объяснить неожиданное явление.

Магний также имеет довольно значительное преимущество: он дешев, содержится в большом количестве и относительно не загрязняет окружающую среду. Хотя он разделяет эти черты с кальцием, это не относится к другим испытанным материалам.

«В основе традиционных термоэлектрических материалов лежат тяжелые элементы, такие как свинец, висмут и теллур — элементы, которые не очень экологичны, и их также не так много», — говорится в заявлении Делера. имеют чрезвычайно низкую термоэлектрическую проводимость, несмотря на низкую массовую плотность ». Более того, хотя высокотемпературные термоэлектрические эффекты являются обычным явлением, Mg 3 Sb 2 и Mg 3 Bi 2 хорошо работают при температуре, близкой к комнатной.

Тем не менее, Делер не думает, что именно эти материалы станут будущим термоэлектрической генерации. Сурьма и висмут не особенно распространены, а производство сурьмы весьма загрязняет окружающую среду. Однако так же, как большинство фармацевтических препаратов являются модификациями многообещающей, но несовершенной молекулы, Делер надеется, что два изученных до сих пор материала на основе магния, которые принадлежат к классу, известному как Zintls, откроют дверь для лучших версий.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *