Ny enhed kan gøre konvertering af spildvarme til elektricitet industrielt konkurrencedygtig

(Phys.org) - I øjeblikket op til 75% af energien fra en bils motor går tabt som spildvarme. I teorien, noget af denne spildvarme kan omdannes til elektricitet ved hjælp af termoelektriske enheder, selvom effektiviteten af ​​disse enheder hidtil har været for lav til at muliggøre udbredt kommercialisering.

Nu i en ny undersøgelse, fysikere har demonstreret, at en termoelektrisk enhed fremstillet af nanotråde kan opnå en høj nok effektivitet til at være industrielt konkurrencedygtig, muligvis føre til forbedringer i brændstoføkonomi og andre applikationer.

Forskerne, Khandker A. Muttalib og Selman Hershfield, begge fysikprofessorer ved University of Florida i Gainesville, har udgivet et papir om den nye termoelektriske enhed i en nylig udgave af Fysisk gennemgang anvendt .

Ud over at genvinde energi fra spildvarmen i forbrændingsmotorer i køretøjer, termoelektriske enheder kunne også udføre lignende funktioner i skibsmotorer, såvel som i kraftværker, fremstilling af raffinaderier, og andre steder, der producerer store mængder spildvarme.

I deres papir, forskerne forklarer, at brug af bulkmaterialer i termoelektriske enheder har vist sig at være ineffektivt, men nanoengineered materialer ser ud til at være mere lovende. Den nye enhed består ganske enkelt af to store elektroder ved forskellige temperaturer forbundet med flere ikke -interaktive, meget tynde nanotråde. Hver nanotråd sender strøm fra den varmere ledning til den koldere ledning, og mange nanotråde parallelt kan skalere strømmen op til høje niveauer.

En af de største udfordringer for termoelektriske enheder er, at forholdene, der optimerer en enheds effektivitet og effekt, er forskellige for forskellige temperaturgradienter mellem de to ledninger såvel som for forskellige elektriske belastninger (hvor meget strøm der forbruges på et givet tidspunkt). På grund af denne kompleksitet, den optimale enhed til en bestemt temperaturgradient og belastning fungerer muligvis ikke nær så godt for en anden temperaturgradient eller belastning.

Forskerne her fandt en vej udenom dette problem ved at anvende en spænding til nanotråde, som tillader overførsel af strøm langs nanotråde kun ved energier over en bestemt værdi. Denne værdi afhænger af temperaturgradienten og belastningen, som varierer, men den påførte spænding kan også varieres for at justere kraftoverførslen og samtidig optimere enhedens effekt og effektivitet.

Brug af nanotråde til at forbinde ledningerne har også en praktisk fordel i forhold til at bruge andre materialer. Selvom mange andre kandidatmaterialer er vanskelige at fremstille pålideligt, nanotråde kan fremstilles pålideligt og kontrollerbart, hvilket er vigtigt for at realisere de præcise optimale dimensioner.

Selvom fysikernes teoretiske analyse tyder på, at den foreslåede enhed kan have betydelige ydelsesfordele i forhold til nuværende enheder, de advarer om, at det er for tidligt at foretage konkrete skøn.

"Ethvert estimat på dette tidspunkt vil være upålideligt, fordi der er så mange måder at miste varme på enhver praktisk enhed, som vores teoretiske forslag ikke tager højde for, "Fortalte Muttalib Phys.org . "Selv da, vi gav et meget groft skøn i vores papir, hvor både effektivitet og effekt kan indstilles (med en gate -spænding) til at være betydeligt større end nogen kommerciel enhed, der i øjeblikket er tilgængelig. Bemærk, at der er andre teoretiske forslag med stor effektivitet, men uden tilstrækkelig effekt, og derfor ikke praktisk anvendelig. "

Mest vigtigt, fysikerne håber, at de nye ideer, der præsenteres her, kan inspirere til nye måder at tænke på termoelektrisk teknologi.

"Den største betydning er måske et muligt skift i paradigme i design af termoelektriske enheder, "Sagde Muttalib." I øjeblikket er samfundets fokus er overvældende i det såkaldte 'lineære respons'-regime (hvor temperaturen og spændingsgradienterne på tværs af materialet, der forbinder de varme og kolde ledninger, er små); sådanne anordningers ydeevne afhænger udelukkende af forbindelsesmaterialets egenskaber. Dette har holdt den nuværende indsats begrænset til at finde eller designe et 'godt' termoelektrisk materiale. Vores arbejde tyder på, at i det 'ikke-lineære' regime, enhedens ydeevne afhænger også afgørende af parametrene for ledningerne og belastningerne; optimeringen af ​​ydeevnen i sådanne tilfælde har mange flere interessante muligheder at undersøge. "

Selvom dette arbejde tilbyder mange nye mulige retninger for fremtidig forskning, Muttalib og Hershfield håber, at det vil være andre forskere, der bevæger teknologien fremad.

"Vi er begge teoretiske fysikere, der forsker inden for grundvidenskab, og især er vi ikke eksperter i enhedsteknologi, "Sagde Muttalib." Vi faldt over den aktuelle idé, mens vi forsøgte at forstå virkningerne af ikke-lineær respons på elektrontransport i nanosystemer. Vi håber, at eksperimentelle og enhedsingeniører finder vores arbejde interessant og vil forfølge det for at bygge en egentlig enhed. Vores næste plan på dette generelle område er at forstå, igen på et meget grundlæggende teoretisk niveau, virkningerne af fononer eller gittervibrationer i nanosystemer generelt; Disse virkninger vides også at være vigtige for termoelektriske enheder. "

Den nanotrådbaserede termoelektriske enhed er ikke det eneste nye termoelektriske design, der for nylig vises. I samme nummer af Fysisk gennemgang anvendt , Riccardo Bosisio, et al., på Service de Physique de l'Etat Condensé i Frankrig har udviklet en termoelektrisk enhed, hvor elektronerne bevæger sig gennem nanotråde ved "fononassisteret hopping, "hvor fononerne er vibrationer, der bærer varme.

© 2015 Phys.org