В стремлении снизить зависимость от ископаемого топлива одна из стратегий заключается в использовании отработанного тепла, которое уже производится нашими энергетическими системами. Термоэлектрические генераторы могут преобразовывать отработанное тепло в чистую электроэнергию, а новый прорыв в конструкции может сделать эти устройства более эффективными, чем это было возможно ранее, считают ученые из Университета Пенсильвании и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.
«Мы разработали уникальный дизайн материалов, который может повысить эффективность преобразования термоэлектрических устройств до 15%», — говорит Вэньцзе Ли, доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании. «Это самая высокая эффективность, которая была зарегистрирована до сих пор при использовании подобной термоэлектрической технологии».
Исследователи штата Пенсильвания работают над улучшением характеристик термоэлектрических генераторов — устройств, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество. Когда такие устройства располагаются рядом с источником тепла — например, паровой трубой на электростанции — носители заряда, такие как электроны, перемещаясь от горячей стороны к холодной, создают электрический ток. По словам ученых, термоэлектрические устройства не имеют движущихся частей и не производят химических реакций или выбросов, что делает их перспективным источником чистой энергии.
Команда разработала новый метод создания функционально градированных материалов в термоэлектрических устройствах, который позволил им достичь 15,2% эффективности в одноножном устройстве с изменением температуры на 670 Кельвинов (примерно 1 206 градусов по Фаренгейту). Нынешние коммерчески доступные устройства могут похвастаться эффективностью от 5% до 6%.
Результаты, недавно опубликованные в журнале Advanced Materials, свидетельствуют о том, что новый подход может оказать преобразующее влияние на проектирование и разработку термоэлектрических устройств следующего поколения, пишут ученые.
«Из-за глобальных выбросов парниковых газов и связанных с ними экологических проблем мы хотим двигаться в сторону более экологичных технологий», — говорит Бед Пудель, профессор-исследователь кафедры материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете. «Эта работа по повышению эффективности термоэлектрических устройств может помочь в достижении этой цели».
Обычные термоэлектрические генераторы имеют сегментированные конструкции для оптимизации работы на более высоко- и низкотемпературных сторонах устройства. Часто это разные типы материалов, которые должны быть созданы отдельно и соединены вместе пайкой или спайкой. Но это создает неоднородный интерфейс, который может снизить эффективность устройства, говорят ученые.
Новый подход устраняет необходимость в таком интерфейсе, так как высоко- и низкотемпературные боковые материалы создаются вместе за один шаг.
«Основная идея заключается в том, чтобы объединить два или более слоев, используя одно и то же семейство материалов, но с небольшой разницей в химическом составе», — сказал Ли. «Таким образом, мы можем создать функционально градированные материалы за один шаг, и нам не нужны методы пайки или спайки для их соединения, чтобы устранить неоднородную границу раздела».