Teknik høster spildvarme fra uudnyttede kilder

Termoelektriske materialer omdanner varme til elektricitet eller omvendt. Imidlertid, deres anvendelse til at høste spildvarme er begrænset af udfordringer i fremstilling og materialer. At finde omkostningseffektive måder at dække store og potentielt komplekse overflader på er stadig et problem, men det er afgørende for at drage fordel af spildvarmekilder.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) materialeforskere har brugt en additiv fremstillingsteknik, kaldet koldsprayaflejring, at skabe termoelektriske generatorer, der kan høste spildvarme fra tidligere utilgængelige kilder, såsom rør med komplekse geometrier. Generatorerne viser god ydeevne over et bredt temperaturområde.

Spildvarme er en enorm uudnyttet ressource. Tretten kvadrillion BTU'er energi går tabt årligt gennem spildvarme fra amerikansk industri. En BTU, eller britisk termisk enhed, er en måleenhed for energi; 3, 600 BTU svarer til cirka 1 kilowattime.

Men kun tre quads BTU gendannes og sættes i gang gennem samlokalisering af processer, energigenvinding gennem kedler og termoelektrisk genvinding. En udfordring ved at høste energien er at udtænke en generator, der effektivt kan høste varmen. For at et termoelektrisk materiale skal være effektivt, skal det omdanne temperaturgradient til spænding. Det kræver også høj elektrisk ledningsevne, men lav varmeledningsevne.

I den nye forskning, der vises i Journal of The Minerals, Metals &Materials Society ( JOM ), holdet koldsprøjtede et vismut-telluridpulver på underlag lige fra rustfrit stål til aluminiumsilikat og kvarts. Det sprøjtede materiale havde en tilfældigt orienteret mikrostruktur, der stort set var fri for porer, og den kolde sprayaflejring blev opnået uden væsentlige sammensætningsændringer.

"Disse resultater demonstrerer kraften og alsidigheden ved additiv fremstilling af koldspray og giver en vej mod fremstilling af termoelektriske generatorer i komplekse geometrier, der er utilgængelige for generatorer fremstillet ved traditionelle metoder, "sagde LLNL -materialefysikeren Alex Baker, hovedforfatter til papiret.

Koldsprayaflejring af belægninger bruges i vid udstrækning på tværs af industrien til korrosionsbestandige beklædninger, overfladefunktionalisering og lokal reparation. I denne teknik, metalpartikler i mikronskala er indeholdt i supersonisk gas og ledet mod en metaloverflade. Ved påvirkning, partiklerne deformeres plastisk og binder sig til overfladen eller hinanden.

Koldspray har typisk været begrænset til formbare materialer, gør den velegnet til strukturelle elementer og legeringer, men er ikke godt udstyret til funktionelle materialer, som typisk er sprøde. I samarbejde med industriel partner TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL arbejder på at udvide sortimentet af materialer, der kan koldsprøjtes som en del af Technology Commercialization Funds (TCF) -programmet finansieret af Energiministeriet.

"Koldspray fungerer ved forholdsvis lave temperaturer, under smeltepunktet for de fleste funktionelle materialer, så det er attraktivt at overveje muligheden for en additiv fremstillingsteknik, der bevarer den skræddersyede mikrostruktur, der driver funktionelle egenskaber, "Sagde Baker.

Termoelektriske generatorer (TEG'er) har ingen bevægelige dele, ikke er baseret på kemiske reaktioner og har lang levetid uden krav til vedligeholdelse, hvilket gør dem til fremragende kandidater til strømkilder på fjerntliggende eller utilgængelige steder. Til dato, vedtagelse af TEG'er til at høste spildvarme har været begrænset, dels på grund af vanskeligheden ved at fremstille dele, der får intim termisk kontakt med køleribber eller udstråles fra overføringsrør.

Holdet konkluderede, at deponering med koldspray kan fremstille bulkstykker af termoelektrisk vismut-tellurid på en lang række forskellige underlag, uden tab af strukturel integritet, demonstrerer, at koldspray er et levedygtigt alternativ til traditionelle fremstillingsmetoder til termoelektriske materialer.

"Et af vores mål er at bringe denne teknologi til LLNL, hvor det kan anvendes på en lang række additive fremstillingsproblemer, "sagde Harry Radousky, TCF's hovedforsker.