Стратегия разработки лучших материалов для термоэлектрической выработки электроэнергии
Кредит: адаптирован из природы энергии (2024).Doi: 10.1038/s41560-024-01589-5
В последние годы инженеры и ученые по всему миру работали над новыми технологиями для выработки электроэнергии из возобновляемых источников энергии, включая Photovoltaics (PVS), ветряные турбины и гидроэнергетические генераторы.Альтернативным решением для смягчения влияния изменения климата может быть преобразование избыточного или отработанного тепла, генерируемого отраслями, домохозяйствами и горячей природной средой в электроэнергию.
Этот подход, известный как термоэлектрическая выработка электроэнергии, опирается на использование материалов с ценными термоэлектрическими свойствами.В частности, когда эти материалы подвергаются воздействию особенно высоких температур с одной стороны, а с другой - электроны внутри них начинают переходить от горячей стороны к более холодной, что генерирует электрический потенциал
Хотя недавние работы определили некоторые многообещающие термоэлектрические материалы, производительность модуля является неудовлетворительной из -за проблем, связанных с проектированием и изготовлением оптимальных конструкций модуля.Это значительно ограничивает их потенциальную реальную интеграцию в термоэлектрических модулях.
Исследователи из Университета науки и технологий Поханга, Университета Джорджа Вашингтона и другие институты недавно представили новую стратегию проектирования термоэлектрических материалов на основе медного селенида (CU2SE).
Эта стратегия, изложенная в статье, опубликованной в Nature Energy, позволила им разрабатывать многообещающие материалы для мощного генерации, используя методы, которые можно было бы проще воспроизвести в больших масштабах.
«Традиционные термоэлектрические устройства состоят из полупроводниковых ножек P- и N-типа, кубоидными по форме, расположенных в конфигурации термопары»,-сказал Jae Sun Son, соавтор бумаги, соавтор газеты.«В этих устройствах конструкция этих ног, с точки зрения длины и соотношения сторон, имеет решающее значение для оптимизации тепловых и электрических сопротивлений для максимизации выработки электроэнергии.
«В этом контексте некубоидная трехмерная (3D) геометрия может предложить дополнительный уровень контроля над термому и электрическим переносом, что потенциально повышает производительность устройства за пределами того, чего могут достичь кубоидные ножки».
В 2020 году исследовательская группа во главе с профессором Санья Лебланк в Университете Джорджа Вашингтона опубликовала статью, в которой изучалось влияние ног полупроводниковых ног, используемых на термоэлектрические характеристики генераторов термоэлектрической мощности посредством серии моделирования.Но потенциал некубоидных ног еще предстоит оценить в экспериментальных условиях.
«Наша группа работала над 3D -печатью термоэлектрических материалов и устройств, которые позволили бы нам реализовать сложную геометрию термоэлектрических материалов, которые не могут быть достигнуты с помощью традиционных производственных процессов, и исследовать их влияние на производительность выработки электроэнергии», - пояснил Сон.
В рамках своего исследования Сон и его коллеги использовали модели 3D конечных элементов для разработки некубоидных геометрий для полупроводниковых ног.Затем они изготовили эти геометрические конструкции, используя методы 3D -печати и экспериментально оценили их производительность.
«Мы выбрали CU2SE в качестве модельного материала из -за его высокой эффективности материала при высоких температурах», - сказал Сон.«Мы провели численное моделирование по восьми различных геометриях, как кубоидных, так и некубоидах, чтобы оценить выработку электроэнергии в различных условиях труда.
«3D-печать коллоидных чернил на основе частиц Cu2SE, адаптированная добавлением дополнительных полианионов SE82, позволила нам создать разработанную геометрию CU2SE и сравнительно оценить их характеристики выработки электроэнергии в устройстве с одним ног».
Эксперименты, проведенные этой командой исследователей, дали интересные результаты, подчеркивая потенциал некоторых некубийских ног над другими.В частности, команда заметила, что ноги с геометрией в форме песочных часов достигли самой высокой выработки электроэнергии, как с точки зрения выходной мощности, так и эффективности.
«Это, очевидно, первая демонстрация, показывающая влияние 3D -геометрии», - сказал Сон.«Мы также обнаружили, что контролируемая жидкая фаза спекания позволила образовать дефект разломов укладки высокой плотности и полученных дислокаций. Эти дефекты снижали теплопроводность Cu2SE и, следовательно, повышали значения ZT до 2,0».
Недавнее исследование, проведенное Son и его коллегами, подтверждает, что 3D -геометрия термоэлектрических материалов оказывает значительное влияние на электрический ток, который они могут генерировать.Хотя они специально использовали свою стратегию для разработки материалов на основе CU2SE, в будущем она может быть применена к другим типам термоэлектрических материалов, что позволяет исследователям повысить производительность генераторов термоэлектрических мощностей без изменения их внутренних свойств.
«В наших предстоящих исследованиях мы будем применять некубоидную геометрию к различным термоэлектрическим системам, таким как сегментированные устройства и модули охлаждения пельтье»,-добавил Сон.«Более того, интеграция инструментов конструктивного проектирования с термоэлектриками может еще больше повысить производительность и долговечность устройства».
More information: Seungjun Choo et al, Geometric design of Cu2Se-based thermoelectric materials for enhancing power generation, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01589-5
Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.