Forskere skaber en højtemperatur-enhed, der producerer elektricitet fra industriel spildvarme

Glas- og stålproducenter producerer store mængder spildet varmeenergi ved høje temperaturer, men termoelektriske enheder i fast tilstand, der konverterer varme til elektricitet, fungerer enten ikke ved høje nok temperaturer eller koster så meget, at deres anvendelse er begrænset til specielle applikationer, f.eks. rumfartøjer. MIT -forskere har udviklet en flydende termoelektrisk enhed med en smeltet forbindelse af tin og svovl, der effektivt kan omdanne spildvarme til elektricitet, åbner vejen til overkommelig omdannelse af spildvarme til strøm ved høje temperaturer.

Youyang Zhao, en kandidatstuderende i adjunkt i metallurgi Antoine Allanores forskningsgruppe, bygget en termoelektrisk testcelle, der fungerer i flydende tilstand ved temperaturer fra 950 til 1, 074 grader Celsius (1, 742 til 1, 965 grader Fahrenheit). Kommercielle termoelektriske enheder, baseret på materialer som faststof-vismuttellurid, fungere ved omkring 500 C, og en blok vismuttellurid koster i nærheden af ​​150 gange mere end tinsulfid pr. kubikmeter.

Når den er smeltet, tinsulfid giver en ensartet termoelektrisk effekt over et bredt temperaturområde op til 200 grader over dets smeltepunkt på 882 C, siger Zhao, første forfatter til et ECS Journal of Solid State Science and Technology -papir, "Smeltede halvledere til højtemperatur termoelektricitet, "med Allanore og nyuddannede Charles Cooper Rinzler PhD '17. Zhao fandt ikke noget signifikant præstationsfald, da han cyklede enheden op til 1, 074 C og tilbage til 950 C over flere timer.

"For mig, Jeg opvarmer først prøven til dens smeltepunkt og scanner derefter temperaturen op til 200 C over smeltningen og scanner derefter tilbage, mens jeg foretager flere målinger under opvarmning og nedkøling. Hvad vi fandt ud af er ejendommen temmelig konsekvent, " siger Zhao.

Materialer til store industrielle operationer

Zhaos termoelektriske enhed fungerer under forhold, der er relevante for industrielle applikationer, mens det materiale han brugte, tinsulfid, appellerer ud fra et omkostningsperspektiv, Siger Allanore. Termoelektriske enheder fungerer ved at klemme materialer sammen, der producerer en elektrisk spænding, når der er en temperaturforskel mellem deres varme og kølige sider. I bakgear, de kan bruges som køleenheder, der omdanner en elektrisk strøm til et temperaturfald. Sådanne enheder bruges, for eksempel, at opvarme og afkøle sæder i luksusbilmodeller og til at drive elektronik ombord på rumfartøjer på lange rejser (ved hjælp af en atomkraftkilde og med specialudstyr, der kan fungere ved højere temperaturer end kommercielle enheder).

De miljømæssige fordele ved at producere elektricitet fra spildvarmeudbytter vil sandsynligvis ikke være en primær motivator for glas- og stålproducenter til at anvende denne teknologi, Allanore foreslår. Disse operationer skal køre deres kar eller ovne ved temperaturer på 1, 000 C eller højere for at lave deres produkter, og de tjener deres fortjeneste på disse produkter. Men at nå denne høje varme er en engangsomkostning. Hvis termoelektrisk styring af den varme gør det muligt for producenter at drive varmere, hvilket kan øge produktiviteten, eller at forlænge deres udstyrs levetid, så vil de være mere tilbøjelige til at tilpasse det, siger Allanore. "Vi ved allerede, at vi i steady state har 1, 000 grader Celsius på det sted, "siger han. Og det er nok til at smelte de halvledende materialer i en flydende termoelektrisk enhed.

"I begyndelsen tænkte vi over, hvordan vi implementerer i stor skala, på metallurgiske ovne med høj temperatur, materialer, der kan genvinde spildvarme. Det var vores første idé. Men så er den anden vision af dette at sige, hvad kan jeg gøre med den elektricitet? Fordi du ikke vil bruge det til at lave elektricitet, du kommer til at implementere det, fordi du har en reel fordel for din produktion, "Allanore forklarer. At kunne styre varme ved meget høj temperatur takket være elektrisk aktive materialer som smeltede forbindelser er en fordel, der nu er en mulighed.

Disse fund kan have stor indflydelse på metalproducenter, der allerede håndterer hundredtusindvis af tons om året kobbersulfid, jernsulfid, og lignende materialer i deres smeltede tilstand, men som i øjeblikket ikke drager fordel af materialernes halvledende egenskaber. "Vi ved, hvordan vi skal håndtere disse ting i meget stor skala, "Siger Allanore.

I 2013, Allanore og John F. Elliott Professor i materialekemi Donald R. Sadoway udviklede en billig legering af krom og jern til at tjene som anode til fremstilling af stål gennem smeltet oxidelektrolyse. Processen producerer metal af høj renhed og frigiver ilt i stedet for kuldioxid, som er en stor bidragyder til drivhusgaseffekten. Et MIT spinout -selskab, Boston Electrometallurgical Corp., voksede ud af det arbejde, som har demonstreret produktion af smeltet metal i størrelsesordenen flere hundrede pund om dagen.

Parringsteori og eksperiment

Det nye arbejde med termoelektriske enheder under tilsvarende høje temperaturer giver eksperimentel bekræftelse af Allanore -laboratoriekollega Rinzlers arbejde, der forklarer det teoretiske grundlag for halvledende adfærd i metalliske forbindelser i deres varme, flydende tilstand. Rinzlers arbejde opstiller en forudsigelig ramme for kvantificering af energiprofilen (termodynamik), kemisk struktur (konfiguration af atomer), og elektronisk adfærd i visse flydende halvledende forbindelser, såsom tinsulfid eller kobbersulfid.

"Det er ikke en simpel sag bare at sige, hvilket temperaturinterval du kan operere under? Det er hvad du kan opnå under praktiske driftsbetingelser, der betyder noget for den aktuelle applikation og til hvilket omkostningspunkt for materiale og enhed, "Siger Rinzler.

"Det smukke ved sådan noget er os, der kan fange begge dele, vi kan forbedre indsamling af spildvarme, som vi måske bekymrer os om fra et energibesparelsesperspektiv, men industrien opfordres til at bruge det, fordi det faktisk gavner dem i den sammenhæng, som de også bekymrer sig om direkte, " siger Rinzler.

Målt på en dollar-per-watt basis, Allanore forklarer, smeltede tinsulfidindretninger kan være vigtige for industrier, der opererer ved høj temperatur. "Dollaren pr. Watt, når du har et stort overfladeareal, er dikteret af omkostningerne ved dit materiale, "siger han. Andre fordele ved det foreslåede system omfatter enkelheden ved håndtering af tin og svovl, den halvledende blandings relativt høje elektriske ledningsevne og relativt lave toksicitet sammenlignet med forbindelser som tellur og thallium eller bly og svovl.

Zhao flyttede fra koncept til arbejdende enhed inden for et år, bemærkelsesværdige fremskridt inden for videnskabelig forskning, Allanore noter. "Først, det er Youyang, hvem er meget god, og for det andet er det den flydende tilstand ... der gør denne form for hurtig demonstration mulig, "siger han. Zhao fik sin bachelor i materialevidenskab og teknik fra Georgia Tech i 2013.

Selvhelbredende system

"Væsketilstanden er meget tilgivende for store temperaturændringer på en måde, som faststoffet ikke er. Hvis du tænker på et faststofmateriale, der gennemgår et sådant temperaturinterval, du har altid termisk ekspansion, mekaniske problemer, korrosion, "Siger Allanore. Disse fænomener forhindrer mange faste materialer i at være reversible i den forstand, at når temperaturen går op og ned, præstationen forbliver den samme. "Dette er igen et af træk ved den flydende tilstand. Vi kalder det selvhelbredende, "forklarer han." Så længe du ikke ændrer den kemiske sammensætning makroskopisk, du får bare det samme materiale. Fra et teknisk synspunkt og vedtagelse til storstilet anvendelse, dette er en meget vigtig funktion."

"Jeg tror, ​​at folk er bange for det, i en vis forstand, fordi det virker farligt at være varm og smeltet, men når du først er smeltet og ved, hvad du laver, det er meget tilgivende, " siger Allanore.

For deres eksperimentelle enhed, forskerne tilpassede et koncentrisk cylinderdesign svarende til et, der blev brugt af afdøde Robert K. Williams, en mangeårig metal- og keramikafdelingsforsker ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, til en 1968 undersøgelse af varmeledningsevne i smeltet sølvsulfid. "De viste, at konvektion er en virkelig vigtig faktor i væsker, "Siger Zhao." Og for os, vi designer en enhed. Vi taler ikke kun om materialets egenskaber. Vi er nødt til at overveje cellegeometri og design. Når du putter et nyt materiale i en enhed, den samlede ejendom kan være forskellig fra selve materialet. Så det betyder, at det er den samlede flydende egenskab, muligvis med virkning fra konvektion, der dominerer enhedens ydeevne. "

Forskere sammenligner forskellige termoelektriske materialer ved at bestemme deres "fortjenstfigur, "som er et mål for hvert materiales effektivitet ved termoelektrisk omdannelse. For mange potentielt nyttige forbindelser ved høj temperatur, Allanore siger, den termoelektriske fortjenst er aldrig blevet undersøgt, så den nye enhed giver også en eksperimentel ramme til at evaluere dette.

Konvektions rolle

Den termoelektriske værdi for en enhed er lidt anderledes end den for det termoelektriske materiale, den bruger på grund af effekter fra naturlig konvektion samt interferens fra selve enheden. I avisen, Zhao siger, "Vi rapporterede enhedens fortjeneste, ikke nødvendigvis for materialet, fordi vi mener, at der er et bidrag, eller der er en forringelse af ydeevnen, fra naturlig konvektion. I den forstand hvis vi kunne minimere naturlig konvektion, fortjenestetallet for denne enhed kan stige. "

"Det er næste skridt for vores undersøgelse, " siger Zhao. "I øjeblikket forsøger jeg at undersøge, hvad effekten af ​​naturlig konvektion er på enten Seebeck-koefficienten [et mål for et materiales styrke til at omdanne varme til elektricitet] eller elektrisk ledningsevne eller termisk ledningsevne."

MIT -forskerne har indgivet en foreløbig patentansøgning for visse aspekter af deres arbejde.

"Allanores arbejde er unikt for brugen af ​​den flydende form af faste halvledere til at omdanne varme til elektricitet, "siger Michael Chabinyc, University of California i Santa Barbara professor og lektor i materialer, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Egenskaberne for flydende halvledere er tidligere blevet undersøgt, men hans arbejde oversætter denne grundlæggende viden til en praktisk anvendelse. Et vigtigt aspekt af arbejdet er brugen af ​​jord-rigelige materialer, der giver en potentiel vej til at genvinde energi spildt som varme på en økonomisk måde. "

Allanore håber, at arbejdet vil udvide forståelsen for smeltede forbindelser. I modsætning til i faste materialer, hvor atomer er relativt faste, han siger, atomer i væsker varierer i arrangement på en skala fra flere mikrometer til flere millimeter. Man kan tænke, for eksempel, af forskellen mellem vandmolekylerne i en blok frossen is kontra de samme molekyler i en gryde kogende vand. "I et smeltet materiale, du har konstant bevægelse, og det er en kompleksitet, at den ikke er til stede i sin faste tilstand og ikke beskrives af eksisterende modeller af materialevidenskaben, vi underviser i klassen, "Allanore siger." Vi er trygge ved, at vi en dag vil bygge bro mellem de to, og så vil det være en fuld historie, der ikke kun taler om den elektroniske struktur og ejendom, men også det vi kalder fysisk kemi, som er viskositet, massefylde, diffusivitet - alle disse fænomener, som er væsentlige for den flydende tilstand."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.