На этой неделе исследователи сообщили в Proceedings of the National Academy of Sciences, что они продемонстрировали шаг вперед в преобразовании отработанного тепла — от промышленных дымовых труб, электростанций или даже автомобильных выхлопных труб — в электричество.Работа с использованием термоэлектрического соединения, состоящего из ниобия, титана, железа и сурьмы, позволила значительно повысить выходную плотность энергии материала за счет использования очень горячей температуры прессования — до 1373 Кельвина или около 2000 градусов по Фаренгейту — для создания материал.«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 прохладную, а их эффективность рассчитывается как мера того, насколько хорошо материал преобразует тепло — часто отходящее тепло, генерируемое электростанциями или другими промышленными процессами — во власть. Например, материал, который потребляет 100 Вт тепла и производит 10 Вт электроэнергии, имеет коэффициент полезного действия 10 процентов.
«Это традиционный способ рассмотрения термоэлектрических материалов», — сказал Чжифэн Рен, доктор медицины, профессор физики Андерсона в Хьюстонском университете и ведущий автор статьи. Но относительно высокая эффективность преобразования не гарантирует высокую выходную мощность, которая измеряет количество энергии, производимой материалом, а не скорость преобразования.Поскольку отходящее тепло является обильным и бесплатным источником топлива, коэффициент преобразования менее важен, чем общее количество энергии, которое может быть произведено, сказал Рен, который также является главным исследователем в Техасском центре сверхпроводимости в UH. . «В прошлом это не подчеркивалось».Помимо Рэна, в проект вовлечены такие исследователи, как Ран Хе, Цзюнь Мао, Цин Цзе, Цзин Шуай, Хи Сок Ким, Юань Лю и Пол Ч.В.
Чу, все из UH; Дэниел Кремер, Лингпин Цзэн и Ганг Чен из Массачусетского технологического института; Ючэн Лан из Государственного университета Моргана и Чунхуа Ли и Дэвид Бройдо из Бостонского колледжа.Исследователи изменили соединение, состоящее из ниобия, железа и сурьмы, заменив от 4 до 5 процентов ниобия титаном. Обработка нового компаунда 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».По его словам, 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.«Этот аспект термоэлектричества необходимо подчеркнуть», — сказал он. «Вы не можете просто смотреть на эффективность.
Вы должны также смотреть на коэффициент мощности и выходную мощность».