Создан сверхэффективный термоэлектрогенератор Дата: 29.07.2008 Раздел: Термоэлектричество
Новый материал, созданный в США, способен радикально повысить эффективность термогенераторов.
Один из спонсоров данного исследования — американская корпорация — специализируется как раз на термоэлектрических системах. Соответственно, если дальнейшая работа учёных пойдёт по плану, BSST — и карты в руки в деле коммерциализации новинки. Также говорящий факт: ещё один спонсор работы — Лаборатория реактивного движения NASA () (иллюстрации BSST).
Новый материал, созданный в США, способен радикально повысить эффективность термогенераторов, непосредственно преобразующих бросовое тепло в электричество, а значит, сделать более реальными компактные и относительно мощные термоэлектрические установки, утилизирующие бесполезно рассеиваемое тепло от ДВС, уходящее с выхлопными газами, а также — собирающие бросовое тепло от выхлопа электростанций.
Для оценки эффективности материала в качестве составляющей термопары используется величина zT, зависящая, в частности, от коэффициента термоэдс и отношения электрической проводимости к теплопроводности.
Чем больше zT, тем больше мощность, которую сможет создать термогенератор при заданной разности температур на его концах, и тем меньше энергии нужно будет поставлять на горячий спай для поддержания этой разности температур.
Авторы новой работы — Джозеф Хереманс () и его коллеги из университетов Огайо () и Осаки ( ), а ткаже Калифорнийского технологического института () — создали теллурид свинца, легированный таллием, который показал значение zT в 1,5.
Это более чем вдвое лучше, чем у самого эффективного материала для термоэлектрогенераторов, имеющегося на рынке и используемого на коммерческой основе (теллурид свинца, легированный натрием, 0,71).
И хотя в условиях лабораторий появлялись и более эффективные материалы, очень важна приспособленность такого состава к массовому применению в реальных изделиях, к серийному производству.
Дело в том, что раньше исследователи пытались поднять zT, в основном ограничивая распространение тепла через материал, причём — применяя модные ныне наноструктуры. Но последние — сложны в воспроизводстве на действительно массовом уровне и всё равно не дают желаемого эффекта в полной мере.
Хереманс и его коллеги пошли совсем по другому пути. Они использовали тот факт, что в определённом сочетании талий и теллур, находящиеся рядом, так взаимодействуют на квантовом уровне, что возникает своего рода резонанс между их электронами (подробности — в Science), влияющий на распределение носителей заряда в материале.
Важное отличие теллурида свинца, легированного таллием, от конкурентов: он демонстрирует высокую эффективность при довольно высокой температуре и в сравнительно широком диапазоне, а именно — от 230 до 510 градусов Цельсия. А ведь это примерно те температуры, что "встречаются" в ДВС и ряде других тепловых машин.
Интересно: при 230 градусах zT нового состава равен почти 0,75, а дальше — растёт и при 500 градусах уже превышает 1,5.
И экспериментаторам не потребовалось формировать в материале наноструктуры — эти замечательные показатели достигнуты с простым цельным куском полупроводника.
Хереманс не намерен останавливаться на этом. Он утверждает, что, применив к созданному им и его соратниками составу другие достижения в области термоэлектричества (хотя бы — те же наноструктуры в толще полупроводника), zT можно будет поднять ещё вдвое.
