Термоэлектрические генераторы из «правильных» материалов

Больше года тому назад, будучи в Одессе на выставке по возобновляемым источникам энергии  обратил внимание на один необычный экспонат. При помощи горелки (подожженные таблетки сухого спирта) нагревающие металлические пластины, получали электрический ток, достаточный для зарядки мобильного телефона. Да, это термоэлектрический генератор (ТЭГ). (В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют).

Тогда, внимательно ознакомившись с документацией, у меня не возникло мнения по перспективе данного направления в области нового источника энергии. Основным недостатком таких устройств было дороговизна металлов для термопары и их токсичность (сурьма, свинец). А вот в качестве дополнительного оборудования, увеличивающего кпд установки да. К примеру, использование ТЭГ в автомобилях, преобразуя тепло выхлопных газов в электроэнергию для подзарядки аккумуляторов.

И вот новая информация по разработке ТЭГ на основе новых композиционных материалов.

Термоэлектрические генераторы уже давно рассматриваются как перспективные технологии, подходят для преобразования в электрическую энергию тепла, которое просто выбрасывается в окружающую среду с выхлопными газами автомобилей или промышленными предприятиями. Несмотря на множество исследований, проведенных в данном направлении, созданные ТЭГ являются устройствами, работающими при достаточно высоких температурах. Однако, недавно исследователи из университета Осаки, совместно с инженерами компании Hitachi, Ltd., разработали новый материал с достаточно высокими термоэлектрическими параметрами и эффективностью работы при комнатной температуре.

Термоэлектрические генераторы, изготовленные из специальных материалов, которые производят электрический ток в случае если их одна сторона нагрета сильнее, чем другая. Кроме этого, термоэлектрический эффект может работать и в обратную сторону, регулируя электрический ток через материал, подаваемый от внешнего источника, можно поддерживать заданный температурный градиент между сторонами материала. Все термоэлектрические материалы обладают достаточно высокой электрической проводимостью, плюс низкой теплопроводностью, не допускает произвольного выравнивания температурного градиента. Эффективность работы термоэлектрического материала выражается значением параметра называется коэффициентом мощности, который пропорционален электрической, тепловой проводимости и константе, что называется коэффициентом Сибек (Seebeck coefficient).

"К сожалению, в состав большинства термоэлектрических материалов входят редкие и дорогие или токсичные элементы", — пишут исследователи, — "Мы же объединили обычный и распространенный кремний с иттербием, получив силицид иттербий (YbSi2). Мы сделали выбор в пользу иттербия по нескольким причинам. Во-первых, большинство его соединений хорошо проводят электричество, во-вторых, силицид иттербия является нетоксичным материалом. Кроме этого, материал обладает уникальным свойством, которая называется колебаниями валентности, что делает его эффективным термоэлектрическим материалом при нормальной температуре окружающей среды ".

Часть атомов иттербия, входящих в состав YbSi2, имеют валентность 2, а другая часть — +3. При этом в материале постоянно происходит "колебательный эффект", — резонанс Кондо (Kondo resonance), когда валентность атомов начинает меняться от одного значения к другому и наоборот. Все это увеличивает значение коэффициента Сибек и обеспечивает достаточно сильный термоэлектрический эффект при комнатной температуре.

Еще одним преимуществом YbSi2 является его необычная "слоистая" структура. Атомы иттербия формируют кристаллографические плоскости, подобные тем, которые существуют в чистом металле. Атомы же кремния формируют письма с шестиугольной решеткой, напоминающие графит, расположенные между кристаллографическими плоскостями иттербия. Такая структура эффективно подавляет удельный теплопроводность материала, а еще большего уменьшения теплопроводности можно достичь путем добавления в материал дефектов, примесей и создания наноразмерных структур.

В результате все усилия ученых, новый материал демонстрирует высокий коэффициент мощности 2,2 мВт/м-1K-2 при комнатной температуре. Такой показатель уже сравним с аналогичным показателем наиболее эффективных термоэлектрических материалов на основе токсического теллурида висмута.

"Успешное использование иттербия показывает, что путем отбора" правильных "материалов можно получить необходимый набор параметров, необходимых для обеспечения высокой эффективности термоэлектрического материала", — рассказывает Кен Куросаки (Ken Kurosaki) — "И термоэлектрические генераторы, изготовленные из таких материалов, позволят нам уменьшить потери энергии, возникающие при повседневном пользовании бытовыми технологиями ". Источник.

Учитывая эту информацию, можно предположить, что термоэлектрические генераторы найдут применение в местах, где отсутствуют другие источники энергии и в процессах, где имеется избыток тепла.

Спасибо за прочтение. laughЕсли вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения.