Устройство превращает бесполезное тепло в электричество

26 январь, 2022 - 15:05Леонид Бараш

Энергетические системы, которые питают нашу жизнь, также производят тепло впустую — например, тепло, излучаемое трубами горячей воды в зданиях и выхлопными трубами автомобилей. По словам ученых из штата Пенсильвания и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, новый гибкий термоэлектрический генератор может оборачиваться вокруг труб и других горячих поверхностей и преобразовывать отработанное тепло в электричество более эффективно, чем это было возможно ранее.

«Большое количество тепла от энергии, которую мы потребляем, по сути, выбрасывается, часто рассеивается прямо в атмосферу, — сказал Шашанк Прия (Shashank Priya), заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. - У нас не было экономически эффективных способов с конформными формами улавливать и преобразовывать это тепло в полезную энергию. Это исследование открывает эту дверь».

Ученые из штата Пенсильвания работают над улучшением характеристик термоэлектрических генераторов — устройств, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество. По словам исследователей, когда устройства размещаются рядом с источником тепла, электроны, движущиеся от горячей стороны к холодной, создают электрический ток.

В предыдущей работе команда создала жесткие устройства, которые были более эффективными, чем коммерческие устройства, в высокотемпературных приложениях. По словам ученых, теперь команда разработала новый производственный процесс для производства гибких устройств, обеспечивающих более высокую выходную мощность и эффективность.

«Эти результаты открывают многообещающий путь к широкому использованию термоэлектрической технологии в приложениях для рекуперации отработанного тепла, — сказал Веньджи Ли (Wenjie Li), доцент-исследователь из Университета штата Пенсильвания. - Это может оказать значительное влияние на разработку практических генераторов тепла в электричество».

По словам ученых, гибкие устройства лучше подходят для наиболее привлекательных источников отработанного тепла, таких как трубы в промышленных и жилых зданиях и на транспортных средствах. И их не нужно приклеивать к поверхностям, как традиционные жесткие устройства, что еще больше снижает эффективность.

В ходе испытаний новое устройство продемонстрировало на 150% более высокую удельную мощность, чем другие современные устройства, сообщили ученые в Applied Materials & Interfaces. Увеличенная версия, площадью чуть более 3 квадратных дюймов, сохраняла преимущество в удельной мощности на 115%. По словам ученых, эта версия продемонстрировала общую выходную мощность 56,6 Вт при размещении на горячей поверхности.

«Подумайте о промышленной электростанции с трубами длиной в сотни футов, — сказал Прия. - Если вы сможете обернуть эти устройства вокруг такой большой площади, вы сможете генерировать киловатты энергии из потраченного впустую тепла, которое обычно просто выбрасывается. Вы можете преобразовать сбрасываемое тепло во что-то полезное».

При создании нового устройства ученые разместили шесть пар вдоль тонкой полоски. Затем они использовали гибкую металлическую фольгу, чтобы соединить 12 полос вместе, создав устройство с 72 парами. По словам ученого, между слоями каждой полоски был использован жидкий металл для повышения производительности устройства.

«По мере масштабирования этих устройств вы часто теряете удельную мощность, что затрудняет изготовление крупногабаритных термоэлектрических генераторов, — сказал Бед Пудель (Bed Poudel), доцент-исследователь из Университета штата Пенсильвания. - Это иллюстрирует исключительную производительность нашего устройства с 72 парами».

По словам ученых, устройство с 72 парами показало самую высокую выходную мощность и удельную мощность устройства из одного термоэлектрического генератора.

Промежутки между полосами обеспечивают гибкость, чтобы соответствовать формам, таким как трубы. По словам ученых, зазоры также позволяют гибко изменять коэффициент заполнения или соотношение между площадью термоэлектрического материала и площадью устройства, что можно использовать для оптимизации термоэлектрических устройств для различных источников тепла.