Согласно последним оценкам до COVID, промышленный сектор США производит 13 квадриллионов БТЕ в отходящем тепле ежегодно и улавливает лишь около 3 квадриллионов из них. Только представьте себе всю эту энергию, лежащую без дела. Многие из них могут быть восстановлены с помощью магии и науки термоэлектричества, если новый поворот в так называемой сверхзвуковой технологии холодного распыления выйдет из лаборатории в мир.
Отработанная энергия электростанций и других промышленных объектов когда-нибудь может быть преобразована в электричество (фото из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса).
Утилизация термоэлектрических отходов «довольно незрелой» в 2015 г
Для тех из вас, кто плохо знаком с этой темой, термоэлектричество относится к току, который может быть создан за счет использования разницы температур между двумя материалами, что называется эффектом Зеебека.
Давайте попросим министерство энергетики все это объяснить:
«Термоэлектрические материалы позволяют напрямую генерировать электричество за счет эффекта Зеебека, когда температурный градиент, применяемый к цепи на стыке двух разных проводников, создает электродвижущую силу, основанную на соотношении Eemf = -? ∇? Где? коэффициент Зеебека (или 41 термоЭДС) ».
Получил все это? Хорошо! Еще в 2015 году Министерство энергетики отметило, что «генераторы Seebeck довольно незрелы», а это означает, что к коммерческим приложениям не было большого интереса.
Это не означает отсутствие термоэлектричества. Запустите систему в обратном направлении, и вы получите эффект Пельтье, который относится к нагреванию и охлаждению материалов путем подачи электрического тока. Просто спросите об этом свое горячее и холодное место.
Раствор для холодного распыления
Эффект Пельтье обычно применяется в небольших устройствах. Чтобы получить полную отдачу от термоэлектрической системы, вам необходимо масштабировать ее до электростанций и других промышленных приложений.
Частично проблема заключается в том, как достичь «тесного контакта» между вашими термоэлектрическими материалами и поверхностями, такими как трубы и другое оборудование, которое может быть неправильным, изогнутым и прерываться соединениями и другим оборудованием.
Решение звучит просто: просто распылите слои термоэлектрического материала на поверхность, и вы получите цельный контакт.
Фактически, технология холодного напыления обычно используется в промышленности, включая ремонтные работы, а также коррозионную стойкость и другие виды обработки поверхности. Он включает в себя введение крошечных металлических частиц в сверхзвуковой газ и их удары по металлической поверхности, где они превращаются в бесшовное покрытие.
К сожалению, это можно сделать только с материалами, которые в некоторой степени эластичны или податливы. Вы не можете сделать это с полупроводниковыми материалами, которые имеют кристаллическую структуру, а это означает, что они хрупкие и плохо переносят нанесение спрея.
Сверхзвуковой холодный спрей встречает бесполезную энергию, происходит волшебство
Это объясняет, почему холодное напыление так медленно завоевывает популярность в термоэлектрических приложениях, но это может измениться благодаря новым исследованиям Ливерморской национальной лаборатории Министерства энергетики США в сотрудничестве с находящейся в Вирджинии компанией TTEC Thermoelectric Technologies.
Вот краткая версия их результатов:
«Команда пришла к выводу, что методом холодного напыления можно изготавливать массивные куски термоэлектрического теллурида висмута на самых разных подложках без потери структурной целостности, демонстрируя, что холодное напыление является жизнеспособной альтернативой традиционным подходам к производству термоэлектрических материалов».
Журнал Общества минералов, металлов и материалов, опубликовавший результаты, предлагает более подробную информацию:
«… Напыленный материал имеет беспорядочно ориентированную микроструктуру, в значительной степени свободную от пор (плотность> 99,5%), и осаждение достигается без существенных изменений состава. Коэффициент Зеебека и теплопроводность в значительной степени сохраняются в процессе напыления, но дефекты, возникающие во время осаждения, значительно увеличивают электрическое сопротивление. Дефекты могут быть устранены, а деформация сжатия уменьшена с помощью отжига после осаждения, что приводит к блокам Bi2Te3 с типичным ZT 0,3 при 100 ° C ».
Если вы думаете, что существует связь между TTEC, термоэлектричеством и исследованием планет, бегите прямо и купите себе сигару. Помимо прочего опыта работы, основатель и владелец TTEC Ричард К. Тасс работал над этой же темой для НАСА почти 20 лет.
Многочисленные преимущества улавливания ненужной энергии с помощью термоэлектричества
Хорошо, в конце им пришлось немного повозиться с этой штукой об удалении дефектов, но все же. Главное заключается в том, что метод напыления может обеспечить экономию за счет масштабов, которую было бы трудно достичь с другими термоэлектрическими системами, в дополнение к преодолению кривых, неровностей и других геометрически сложных поверхностей.
Для электростанций расширенные термоэлектрические системы добавят еще один фактор, способствующий падению спроса на ископаемое топливо. Это в дополнение к приложениям во многих других отраслях промышленности. Посмотрим правде в глаза, ископаемое топливо больше никто не любит.
Использование возобновляемых источников энергии также может иметь значение, например, путем использования термоэлектричества в концентрирующей солнечной энергетической системе в качестве дополнения к накоплению тепловой энергии.
Помимо потенциала улавливания ненужной энергии из крупных источников, термоэлектричество также используется на другом конце шкалы для мобильных приложений, включая выхлопные системы автомобилей, дроны и, конечно же, танки Abrams.
Фото (обрезано): Электростанция Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.