211service.com
Mer effektiv termoelektrik
Genom att förbättra de elektroniska egenskaperna hos ett vanligt termoelektriskt material – en typ av halvledare som omvandlar värme till el – har forskare fördubblat dess prestanda, vilket gör det mer praktiskt för att generera el från spillvärme som den som produceras i kraftverk och bilmotorer.
Elvärme: Ett litet prov av ett nytt material för att omvandla värme till elektricitet är kopplat till elektroniska ledningar och en liten värmare för testning.
Termoelektrik har inte använts i stor utsträckning för att generera el eftersom de är dyra och ineffektiva. För att öka effektiviteten har forskarna, bl.a Joseph Heremans , professor i maskinteknik och fysik vid Ohio State University, lade till spårmängder av tallium till blytellurid, ett termoelektriskt material som har genererat elektricitet ombord på djupa rymdsonder i årtionden. Tillsatt tallium fördubblade materialets förmåga att omvandla värme till elektricitet genom att öka spänningen som det producerar. Heremans säger att den förbättrade effektiviteten kan översättas till en 10-procentig ökning av bilars bränsleekonomi om enheterna används för att ersätta generatorer i bilar genom att generera elektricitet från värmen i avgaserna. Det nya materialet beskrivs i veckans nummer av tidskriften Vetenskap .
Det nya arbetet är viktigt av flera anledningar, menar Gäng Chen , en professor i maskinteknik vid MIT som inte var involverad i arbetet. För det första är det en ganska imponerande ökning av effektiviteten hos en typ av termoelektriskt material, säger han. Konventionell blytellurid termoelektrik omvandlar cirka 6 procent av energin i värme till elektricitet. När det väl har införlivats i en termoelektrisk generator, kan det effektivare talliumförstärkta materialet öka detta till 10 procent, när förluster, såsom de från att göra elektriska anslutningar, tas med i beräkningen.
Viktigare, säger Chen, Heremans arbete ger forskare ett nytt sätt att förbättra termoelektriska material som kan öka effektiviteten hos en mängd olika experimentella material. Termoelektriska material är bra elektroniska ledare men dåliga termiska ledare: värmeskillnaden i materialet står till stor del för de termoelektriska egenskaperna. Nästan alla de senaste förbättringarna av termoelektriska material – och det har skett betydande förbättringar under de senaste åren – har kommit med en minskning av deras värmeledningsförmåga. Heremans och hans kollegor har provat ett annat tillvägagångssätt, vilket ökar spänningen som materialen skapar. Det vill säga, säger Heremans, vi får elektronerna att göra mer arbete.
Tekniker som används för att minska värmeledningsförmågan kan användas för att komplettera de nya tekniker som utvecklats av Heremans och hans kollegor. Det skulle tillåta forskarna att fördubbla materialens prestanda ännu en gång, föreslår Heremans. Och det skulle i sin tur börja göra termoelektriska enheter konkurrenskraftiga med konventionella generatorer, säger Jeffrey Snyder , en materialvetenskapsforskare vid Caltech och en av de andra forskarna som är involverade i Vetenskap papper.
En nackdel med de nya materialen är att tallium är extremt giftigt, så det skulle kräva säkerhetsåtgärder under tillverkning och bortskaffande. (Under användning är materialen inkapslade och utgör därför mindre fara.) Men Heremans säger att anordningarna skulle kunna tas bort från gamla bilar och sätta på nya eftersom de lätt kan hålla i flera fordons livslängd, vilket minskar avfallshanteringen problem.
Heremans är optimistisk att de nya materialen snabbt kan kommersialiseras, eftersom ingenjörer redan har många års erfarenhet av att arbeta med blytellurid. Han säger att de första produkterna, troligen termoelektriska generatorer som omvandlar bilavgaser till elektricitet, kan vara klara om tre till fyra år.