Поскольку энергосбережение, как ожидается, будет играть все более важную роль в управлении глобальным спросом, материалы и методы, позволяющие лучше использовать существующие источники энергии, приобретают все большее значение.
Исследователи сообщили на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, что они продемонстрировали шаг вперед в преобразовании отработанного тепла промышленных дымовых труб, электростанций или даже выхлопных труб автомобилей в электричество.
Работа с использованием термоэлектрического соединения, состоящего из ниобия, титана, железа и сурьмы, позволила резко повысить плотность выходной мощности материала за счет использования очень горячей температуры прессования - до 1373 кельвинов, или около 2000 градусов. Фаренгейт - для создания материала.
«Большая часть потребляемой промышленной энергии теряется в виде отработанного тепла», - пишут исследователи. «Преобразование части отработанного тепла в полезную электроэнергию приведет к сокращению потребления ископаемого топлива и выбросов CO2».
Термоэлектрические материалы производят электричество, используя поток тепла из более теплой области в более холодную, а их эффективность рассчитывается как мера того, насколько хорошо материал преобразует тепло - часто ненужное тепло, вырабатываемое электростанциями или другими объектами. промышленные процессы - в энергетику. Например, материал, который потребляет 100 ватт тепла и производит 10 ватт электроэнергии, имеет коэффициент полезного действия 10 процентов.
Это традиционный способ рассмотрения термоэлектрических материалов, сказал Жифэн Рен, профессор физики Университета Хьюстона и ведущий автор статьи. Но относительно высокая эффективность преобразования не гарантирует высокой выходной мощности, которая измеряет количество энергии, производимой материалом, а не скорость преобразования.
Поскольку отработанное тепло является обильным и бесплатным источником топлива, скорость преобразования менее важна, чем общее количество энергии, которое может быть произведено, сказал Рен, который также является главным исследователем Техасского центра исследований. Сверхпроводимость при UH. «Раньше этому не уделялось особого внимания».
Помимо Рена, в проекте участвуют Ран Хэ, Цзюнь Мао, Цин Цзе, Цзин Шуай, Хи Сок Ким, Юань Лю и Пол К. В. Чу, все из UH; Даниэль Кремер, Линпин Цзэн и Ган Чен из Массачусетского технологического института; Юйчэн Лань из Государственного университета Моргана, а также Чуньхуа Ли и Дэвид Бройдо из Бостонского колледжа.
Исследователи модифицировали соединение, состоящее из ниобия, железа и сурьмы, заменив от 4 до 5 процентов ниобия титаном. Обработка нового соединения при различных высоких температурах показала, что очень высокая температура - 1373 Кельвина - привела к получению материала с необычно высоким коэффициентом мощности.
«Для большинства термоэлектрических материалов коэффициент мощности 40 является хорошим», - сказал Рен. «Многие имеют коэффициент мощности 20 или 30».
Новый материал имеет коэффициент мощности 106 при комнатной температуре, и исследователи смогли продемонстрировать плотность выходной мощности 22 Вт на квадратный сантиметр, что намного выше, чем обычно производимые 5-6 Вт, сказал он.
«Этому аспекту термоэлектричества необходимо уделить особое внимание, - сказал он. «Вы не можете просто смотреть на эффективность. Вы должны также смотреть на коэффициент мощности и выходную мощность».