Verimlilik kayıtlarında büyülü bir atılım! Geniş uygulamaların kilidini açması beklenen termoelektrik enerji üretiminin temel göstergeleri ikiye katlandı
Termoelektrik güç üretimi, basit ve doğrudan bir güç üretim teknolojisidir.
Karmaşık ekipmanlara gerek yok, sadece iki ucuna sıcaklık farkı uygulanmış "termoelektrik malzeme" adı verilen özel bir malzeme - örneğin, bir ucu 37 ° C'de cildiniz, diğer ucu Pekin'de bu iki gün yaklaşık 0 ° C sıcaklık. Rüzgar, 30 dereceyi aşan bu sıcaklık farkı, bu malzemenin belli bir elektrik gücü yaymasına neden olabilir.
Bununla birlikte, birçok avantajı ve büyük potansiyeli olan bu tür bir elektrik üretim teknolojisi, ölümcül bir kusur-çok düşük verime sahiptir. Mevcut en iyi termoelektrik enerji üretim malzemesi, geleneksel termik santrallerin verimliliğinin yarısından daha azdır.Akıllı saatler gibi giyilebilir cihazlara güç sağlamak için kullanmak her zaman arzulu bir düşünce olmuştur.
Ancak son zamanlarda Nature'da yayınlanan bir makale termoelektrik enerji üretimi için yeni uygulamalar getirdi. Avusturya'daki Viyana Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Ernst Bauer liderliğindeki bir araştırma ekibi, termoelektrik güç üretim malzemelerinin önemli bir performans endeksini elde etti - termoelektrik değerinin iki katı (ZT değeri): geliştirdikleri termoelektrik malzemeler 5 ila 6'ya kadar termoelektrikliğe sahip Liyakat rakamı ve önceki en iyi malzeme genellikle sadece 2,5 ila 2,8 arasındadır.
ZT değerindeki sıçramalı artış, termoelektrik güç üretiminin verimliliğinin bazı geleneksel güç üretim teknolojilerinden daha yüksek olması beklendiği anlamına gelir.Elektrik üretimi, soğutma, ısıtma, tıbbi tedavi ve giyilebilir cihazlar gibi birçok alanda bariz geniş uygulamalar vardır. Beklenti, endüstrinin uzun zamandır beklediği ve şimdi nihayet arzusuna kavuştuğu önemli bir teknolojik atılımdır.
Resim | Profesör Ernst Bauer, Viyana Teknoloji Üniversitesi (Kaynak: Viyana Teknoloji Üniversitesi)
Kilidi açılamayan geniş uygulamalar
Elektrik üretmek için ısı kullanan diğer teknolojilerle (kömürle çalışan elektrik santralleri, gaz türbinleri gibi) karşılaştırıldığında, teorik olarak, termoelektrik teknolojisi benzersiz benzersiz avantajlara sahiptir.
Her şeyden önce, hareketli parçası yoktur, bu da bu ekipmanı gürültüsüz ve bakımı kolay hale getirir.
İkinci olarak, destekleyici ekipmanın maliyeti çok düşüktür ve elektrik üretmek için yalnızca ısı kaynağı, soğuk kaynak ve tel gereklidir, bu nedenle ağırlık da çok hafiftir. Geleneksel termik enerji üretiminin gerektirdiği kazanlar ve türbinler çok büyük ve pahalı ekipmanlardır.
Üçüncüsü, ölçek büyük veya küçük olabilir, bir elektrik santrali gibi büyük ölçekli elektrik üretebilir veya taşınabilir cihazlara elektrik sağlamak için giysilere takılabilir veya cilde takılabilir.
Dördüncü, uzun ömür. Madeni para büyüklüğünde bir radyoizotop ısı kaynağı, 20 yıldan uzun bir süre elektrikle bir termoelektrik jeneratörü sağlayabilir. Bu teknoloji bir dizi uzay aracı, Apollo Ay Modülü, Pioneer, Korsan, Voyager, Galileo ve Ulysses uzay aracına uygulandı, hepsi enerji sağlamak için bu termoelektrik güç üretim sistemine güveniyor.
Beşincisi, termoelektrik güç üretim ekipmanını açarsanız, doğrudan bir klima ile aynı işleve sahip olan ancak bir klimadan çok daha basit olan bir buzdolabına dönüştürebilirsiniz.
Figure | Birçok uzay aracı, ısı kaynağı olarak nükleer radyasyona sahip termoelektrik jeneratörlerle donatılmıştır. (Kaynak: NASA)
Bununla birlikte, düşük verimlilik nedeniyle, termoelektrik teknolojisinin uygulanması her zaman sıcaklık ölçümü, uzay, askeri ve saha gibi birkaç özel alanla sınırlı kalmıştır.
Termoelektrik verimi iyileştirmek için termoelektrik malzemenin ZT değerini artırmak gerekir. Genelde, yalnızca ZT değeri 4'e ulaştığında veya bu değeri aştığında, bu teknolojinin ticari değere sahip olduğuna inanılmaktadır. Bununla birlikte, termoelektrik etkinin keşfedilmesinden bu yana 100 yıldan fazla zaman geçti ve bilim adamlarının 3'e bile ulaşması zor.
Göstergeleri iyileştirmek zor
Termoelektrik malzemelerin ZT değerini artırmak neden bu kadar zor? Bu, termoelektrik güç üretim teknolojisinin dayandığı fiziksel ilkeyle başlar - termoelektrik etkinin kendisi.
Bir metal veya yarı iletkenin içinde belirli sayıda taşıyıcı (elektronlar veya delikler gibi) vardır. Bu taşıyıcıların yoğunluğu sıcaklıkla değişecektir. Nesnenin bir ucundaki sıcaklık yüksek ve diğer ucundaki sıcaklık düşükse, aynı nesnede farklı taşıyıcı yoğunlukları görünecektir.
Tıpkı yemek pişirirken, güveçte ve pilavda olduğu gibi, tuz da sostan yiyeceğe girecek ve taşıyıcı yoğunluğundaki fark da taşıyıcıların yoğunluğunun yüksek olduğu yerlerden düşük yoğunluklu yerlere dağılmasına neden olacaktır. Nesnenin iki ucu arasındaki sıcaklık farkı korunabildiği sürece, taşıyıcılar sabit bir voltaj oluşturmak için dağılmaya devam edebilir. Bu termoelektrik enerji üretiminin prensibidir.
Şekil | Termoelektrik enerji üretimi (Kaynak: MIT TECHNOLOGY REVIEW)
Ondan, termoelektrik güç üretiminin verimliliğinin termoelektrik malzemelerin üç önemli yeteneğine bağlı olduğunu görebiliriz:
Bir malzemenin, Seebeck katsayısı ile ifade edilen bir sıcaklık farkı varlığında elektromotor kuvvet üretme yeteneği. Seebeck katsayısı ne kadar yüksekse, aynı sıcaklık farkı altında üretilen elektromotor kuvveti o kadar yüksek olur, bu da daha fazla elektrik yayılabileceği anlamına gelir.
Bir malzemenin elektrik iletkenliği ile ifade edilen elektriği iletme yeteneği. İletkenlik ne kadar yüksek olursa, elektronlar malzemenin içinde o kadar kolay yayılabilir.
Bir malzemenin ısıl iletkenlik ile ifade edilen ısıyı iletme yeteneği. Termal iletkenlik ne kadar yüksek olursa, ısı sıcak uçtan soğuk uca o kadar hızlı aktarılabilir, böylece termoelektrik güç üretiminin dayandığı sıcaklık farkı ortadan kalkar ve elektromotor kuvvet de ortadan kalkar.
Açıktır ki, termoelektrik malzemeler için, ilk iki yetenek ne kadar güçlü ise o kadar iyidir, ikinci kabiliyet ne kadar zayıfsa o kadar iyidir. Değer ZT'nin termoelektrik figürü, bu üç parametrenin bir toplamıdır: Seebeck katsayısı ne kadar yüksekse, elektriksel iletkenlik o kadar yüksek ve ısıl iletkenlik ne kadar düşükse, ZT değeri o kadar yüksek ve malzemenin termoelektrik güç üretimi için verimliliği o kadar yüksek olur.
Bu nedenle termoelektrik malzemelerin araştırılmasının anahtarı, malzemenin ZT değerinin nasıl artırılacağı, yani düşük bir termal iletkenlik elde ederken yüksek bir Seebeck katsayısı ve elektriksel iletkenlik elde etmektir.
Ancak bu üç parametreyi aynı anda optimize etmek çok zordur. Bu üç özellik birbiriyle ilişkili olduğundan, bir özelliğin iyileştirilmesine genellikle başka bir veya hatta iki özelliğin zayıflaması eşlik eder. Örneğin, genel olarak, bir malzemenin Seebeck katsayısını artırmak, iletkenliğini azaltacaktır. Bu üç parametre arasındaki ilişkinin doğası, termoelektrik malzemelerin gelişimini yavaşlatmıştır.
Şekil | Farklı tipteki termoelektrik malzemelerin ZT değerinin gelişim geçmişi. Apsis, yıl ve ordinat ZT değeridir. Yıllar süren geliştirmeden sonra, termoelektrik malzemelerin ZT değerinin 3 işaretini kırmanın zor olduğu görülebilir. (Kaynak: He ve Tritt, 2017)
ZT değerini iyileştirmenin anahtarı
Bununla birlikte, "tüm kayıplar ve tüm refah" ın üç parametresi arasındaki ilişki kesinlikle mutlak değildir. Bu "ilgi topluluğu" ayrıca bir "hain" -termal iletkenliğe sahiptir. Daha doğrusu, termal iletkenliğin bir parçasıdır.
Bir malzemenin ısıl iletkenliği, elektronik ısıl iletkenlik ve fonon ısıl iletkenliği olmak üzere iki kısımdan oluşur. Bunlardan ilki iletkenlikle yakından ilgilidir ve "çıkarlar topluluğu" nun bir üyesidir. Ancak fonon ısıl iletkenliği, termoelektrik malzemelerin özelliklerini belirleyen çeşitli parametreler arasında tek olanıdır ve ZT değerindeki diğer tüm parametreler üzerinde hiçbir etkisi yoktur.
Bu nedenle ZT değerini artırmak için en önemli fikirlerden biri, malzemenin elektronik ısıl iletkenliğini etkilemeden fonon ısıl iletkenliğini düşürerek genel ısıl iletkenliği azaltmaktır. Malzemenin mikroskobik seviyesine özel olarak, bazı özel yapılar üzerinden fononların elektron taşınmasını etkilemeden saçılmasını arttırmak, böylece diğer parametreleri değiştirmeden malzemenin sadece fonon ısıl iletkenliğini azaltmaktır.
Bu, Viyana Teknoloji Üniversitesi ekibinin başardığı şeydir. Yıllar süren araştırmalardan sonra 2013'ten başlayarak, hem yüksek elektronik ısı iletkenliği hem de düşük fonon ısıl iletkenliği sağlayabilen bir malzeme keşfettiler. Silikon kristalini örtmek için demir, vanadyum, tungsten ve alüminyumdan oluşan bir alaşım malzemesi tabakası kullandılar ve 5 ila 6 gibi yüksek bir ZT değeri elde ettiler ve bu da mevcut en iyi seviyeyi iki katına çıkardı.
Şekil | Demir-Vanadyum-Alüminyum-Tungsten Alaşım Malzemesi
Normal şartlar altında, demir, vanadyum, alüminyum ve tungstenden oluşan bu tür bir alaşım çok düzgün bir yapıya sahiptir.Örneğin, vanadyum atomlarının yanında sadece demir atomları olmalı ve alüminyum atomları aynıdır ve aynı elementin iki bitişik elementi Atomlar arasındaki mesafe her zaman aynıdır.
Bununla birlikte, bilim adamları bu malzemenin ince bir katmanını silikon bir substratla birleştirdiklerinde, büyülü bir şey oldu.
Bu atomlar hala orijinal kübik yapısını korumalarına rağmen, atomların karşılıklı konumu büyük ölçüde değişti. Eskiden bir vanadyum atomunun ortaya çıktığı yerdi, ama şimdi bir demir atomu veya bir alüminyum atomu haline gelmiş olabilir; bir alüminyum atomunun bir demir atomu olması gerekiyordu ve şimdi hala bir alüminyum atomu veya hatta bir vanadyum atomu olabilir. Dahası, her atomun konumundaki bu değişiklik tamamen rastgeledir ve uyulması gereken kurallar yoktur.
Şekil | Silikon yüzeye bağlanmış alaşım (Kaynak: Hinterleitner ve diğerleri, 2019)
Şekil | Basit test sistemi (Kaynak: Hinterleitner vd., 2019)
Bu düzen ve düzensizlik kombinasyonu, malzemeye benzersiz özellikler verir:
Elektronlar, elektriksel iletkenlik ve elektronik termal iletkenliğin etkilenmemesi için kristal içinde "serbestçe" hareket ettirilen kendi özel yollarına sahip olabilirler; ancak ısı iletimine bağlı fonon göçü düzensiz yapı tarafından engellenerek fonon termal iletimi ile sonuçlanır. Oran önemli ölçüde düştü. Bu şekilde, sıcak uç ile soğuk uç arasındaki sıcaklık farkı korunur ve ortaya çıkan potansiyel fark ortadan kalkmaz.
Bilim adamları, termoelektrik malzemelerin sabit elektronik ısıl iletkenliği ve fonon ısıl iletkenliğini azaltma hayallerindeki hedeflerine de ulaştılar, böylece ZT değerini büyük ölçüde 6'ya çıkardılar.
Dahası, teoride, ilgili kavramsal materyallerin topolojik yapısı değiştirilebiliyorsa, 20 ZT değerine ulaşmak artık sadece bir hayal olmayacak.
Heyecan verici potansiyel uygulamalar
ZT değeri 5 ila 6'ya ulaştığında ve hatta gelecekte daha yüksek bir seviyeye ulaştığında, bir zamanlar etkisiz olan birçok atık ısı ve atık soğuk da yeni ve temiz enerji kaynakları haline gelebilir. Termoelektrik teknolojisi uzaydan yere taşınacak ve birçok yeni uygulamanın kilidi açılacak.
Elektrik üretimi alanında, termoelektrik enerji üretiminin verimliliği ile termik enerji üretiminin verimliliği arasındaki boşluk daha da daraltılacaktır. ZT değeri 6'ya eşit, yani jeotermal enerji üretiminin verimliliğine yaklaşıldı ve 20 kömürle çalışan ünitelerin verimlilik seviyesine daha da ulaşacak Termoelektrik enerji üretimi yeni bir büyük ölçekli enerji üretim teknolojisi haline geldi veya beklenebilir.
Taşınabilir elektronik ürünler alanında, deri, giysi ve dış dünya arasındaki sıcaklık farkı, bazı özel tasarlanmış saatler ve diğer küçük cihazlara güç sağlamak için yeterlidir. ZT değerinin artması ile ileride taşınabilir tüketici elektroniği ürünlerine ve hatta tıbbi ekipmanlara daha fazla güç sağlanması mümkün olacaktır.
Şekil | Deri ile dış dünya arasındaki sıcaklık farkından hareket eden bir saat zaten piyasada. Gelecekte, bu tür ürünlerin performansı daha da geliştirilecektir. (Resim kaynağı: MIT TECHNOLOGY REVIEW)
Daha yüksek ZT değeri aynı zamanda atık ısı kullanım teknolojisinin daha da geliştirileceği anlamına gelir. En tipik örnek, elektrik üretmek için otomobil egzozu ile dış ortam arasındaki sıcaklık farkının kullanılmasıdır. Otomotiv endüstrisindeki ilgili alanlarla ilgili araştırmalar uzun zamandır başlamıştır.Yüksek bir ZT değeri, termoelektrik enerji üretiminin gerçekten otomobillerin standart bir özelliği olacağı anlamına gelir (benzinli ve dizel araçlar elektrikli araçlar tarafından ortadan kaldırılmamışsa).
Şekil | Elektrik üretmek için otomobil egzoz atık ısısını kullanan bir cihaz (Kaynak: MIT TECHNOLOGY REVIEW)
Daha da heyecan verici olan şey, termoelektrik teknolojinin Nesnelerin İnterneti alanında uygulanmasıdır. Nesnelerin İnterneti'nin gelecek çağında, kompakt, verimli, bakım gerektirmeyen ve uzun ömürlü bir termoelektrik güç üretim sisteminin, birçok sensör ve iletişim cihazına güç sağlayarak onları kabloların zincirlerinden kurtarması bekleniyor. 5G sinyaller, genel planlama ve analiz için büyük veri sağlar ve termoelektrik teknolojisi enerji sağlar.Farklı alanlardan gelen bu yenilikçi teknolojiler, gelecekteki aile yaşamının ve endüstriyel üretimin çehresini tamamen değiştirmek için birleştirilebilir.
