Ученые создают материал для превращения отработанного тепла в зеленую энергию
Ученые из Университета штата Пенсильвания совершили значительный прорыв в области термоэлектрических генераторов, которые могут преобразовывать отработанное тепло в чистую энергию. Новая разработка может сделать эти устройства такими же эффективными, как и другие возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия. Термоэлектрические генераторы работают по принципу преобразования разницы температур в электричество. Подробностями поделилось зарубежное издание Knowridge Science Report.
При размещении вблизи источника тепла, например, паровой трубы на электростанции, эти устройства генерируют электрический ток, поскольку носители заряда, такие как электроны, перемещаются с горячей стороны на холодную. В настоящее время эффективность большинства имеющихся в продаже термоэлектрических устройств составляет всего 5–6%. Однако команда Университета штата Пенсильвания разработала новый прототип, который достигает эффективности преобразования в 15%, что более чем вдвое превышает текущий стандарт. Это улучшение означает, что либо размер устройств может быть уменьшен на 200% при сохранении той же выходной энергии, либо устройство того же размера может вырабатывать на 200% больше энергии. Ключ к этому прорыву кроется в новом классе материалов, называемых высокоэнтропийными полусплавами Гейслера. Традиционные термоэлектрические материалы, такие как полусплавы Гейслера, уже известны своей способностью генерировать электроэнергию при средневысоких температурах. Эти материалы обычно изготавливаются из трех металлических элементов, иногда с добавлением небольшого количества других материалов для улучшения характеристик.
В новом подходе исследователи из Университета штата Пенсильвания использовали материалы с высокой энтропией, которые содержат не менее пяти основных элементов в единой кристаллической структуре. Эти материалы имеют свойства, аналогичные свойствам традиционных полусплавов Гейслера, но являются улучшенными. Дополнительные элементы делают кристаллическую структуру более неупорядоченной, что замедляет движение носителей заряда и снижает теплопроводность материала. В то же время коэффициент мощности материала, который измеряет, насколько эффективно он преобразует мощность в полезную работу, остается высоким.
Такое сочетание низкой теплопроводности и высокого коэффициента мощности приводит к значительному повышению добротности материала, являющейся мерой его эффективности как термоэлектрического материала. Новый материал достиг рекордного показателя качества 1,50 при изменении температуры на 1060 градусов Кельвина, что составляет около 1448 градусов по Фаренгейту. Это на 50% лучше, чем у современных передовых материалов.
Последствия этого прорыва огромны. Более эффективные термоэлектрические генераторы могут быть использованы для рекуперации отработанного тепла в промышленных условиях, что позволит сократить потребление ископаемого топлива и сократить выбросы. Кроме того, поскольку эти устройства не имеют движущихся частей и не производят химических реакций, они представляют собой перспективный источник чистой энергии.
Исследователи надеются, что, применив этот высокоэнтропийный подход к другим типам термоэлектрических материалов, они смогут еще больше повысить эффективность преобразования, потенциально достигнув 20% и более. В случае успеха термоэлектрические генераторы могут стать конкурентоспособной альтернативой солнечной энергии и другим технологиям возобновляемой энергетики.
Источник: knowridge.com
Источник изображения: pixabay.com
При размещении вблизи источника тепла, например, паровой трубы на электростанции, эти устройства генерируют электрический ток, поскольку носители заряда, такие как электроны, перемещаются с горячей стороны на холодную. В настоящее время эффективность большинства имеющихся в продаже термоэлектрических устройств составляет всего 5–6%. Однако команда Университета штата Пенсильвания разработала новый прототип, который достигает эффективности преобразования в 15%, что более чем вдвое превышает текущий стандарт. Это улучшение означает, что либо размер устройств может быть уменьшен на 200% при сохранении той же выходной энергии, либо устройство того же размера может вырабатывать на 200% больше энергии. Ключ к этому прорыву кроется в новом классе материалов, называемых высокоэнтропийными полусплавами Гейслера. Традиционные термоэлектрические материалы, такие как полусплавы Гейслера, уже известны своей способностью генерировать электроэнергию при средневысоких температурах. Эти материалы обычно изготавливаются из трех металлических элементов, иногда с добавлением небольшого количества других материалов для улучшения характеристик.
В новом подходе исследователи из Университета штата Пенсильвания использовали материалы с высокой энтропией, которые содержат не менее пяти основных элементов в единой кристаллической структуре. Эти материалы имеют свойства, аналогичные свойствам традиционных полусплавов Гейслера, но являются улучшенными. Дополнительные элементы делают кристаллическую структуру более неупорядоченной, что замедляет движение носителей заряда и снижает теплопроводность материала. В то же время коэффициент мощности материала, который измеряет, насколько эффективно он преобразует мощность в полезную работу, остается высоким.
Такое сочетание низкой теплопроводности и высокого коэффициента мощности приводит к значительному повышению добротности материала, являющейся мерой его эффективности как термоэлектрического материала. Новый материал достиг рекордного показателя качества 1,50 при изменении температуры на 1060 градусов Кельвина, что составляет около 1448 градусов по Фаренгейту. Это на 50% лучше, чем у современных передовых материалов.
Последствия этого прорыва огромны. Более эффективные термоэлектрические генераторы могут быть использованы для рекуперации отработанного тепла в промышленных условиях, что позволит сократить потребление ископаемого топлива и сократить выбросы. Кроме того, поскольку эти устройства не имеют движущихся частей и не производят химических реакций, они представляют собой перспективный источник чистой энергии.
Исследователи надеются, что, применив этот высокоэнтропийный подход к другим типам термоэлектрических материалов, они смогут еще больше повысить эффективность преобразования, потенциально достигнув 20% и более. В случае успеха термоэлектрические генераторы могут стать конкурентоспособной альтернативой солнечной энергии и другим технологиям возобновляемой энергетики.
Источник: knowridge.com
