|
Термоэлектрические материалы могут конвертировать разницу температур в электрическое напряжение. Около десяти лет назад Чэн, профессор энергетики и начальник отдела Массачусетского технологического института машиностроения, разработали нанотехнологию резко повысившую эффективность одного такого материала, что открыло путь для более рентабельных термоэлектрических устройств.
Использование этого метода начала компания GMZ Energy, соучредителем которой является Чэн и сотрудником Жифень Рен из Хьюстонского университета, в настоящее время создала термоэлектрический генератор (ТЭГ) - один квадратный дюйм, четверть дюйма толщиной модуль-что превращает отходящее тепло , выделяемые транспортными средствами в электричество, повышая мощность транспортных средств.
"Все признают большой потенциал отходов тепла , но задача всегда была трудной, потому что не многие всерьез задумываются о системах, которые могут превратить эту высокую температуру в энергию ", говорит Чен. "Это не просто тратить тепло, это потенциал, чтобы сделать полезную работу."
В ТЭГ, электричество генерируется, когда тепло поступает в верхнюю часть модуля, а затем проходит через полупроводниковый материал упакованных в ТЭГ-к более прохладной стороне. В результате движение электронов в полупроводнике от этой разности температур создает электрическое напряжение.
Тем не менее, во многих ГТЭ, колебания атомов в материале создают перетекание тепла от горячей к холодной стороне. Способ GMZ по существу замедляет утечку тепла, что приводит к увеличению производительности от 30 до 60 процентов во многих термоэлектрических материалов.
ТЭГ компании может выдерживать нагрев до температуры примерно 600 градусов по Цельсию на его горячей стороне (верхняя поверхность), при поддержании температуры от 100 ° С на его холодной стороне (нижняя поверхность). С этим градиентом 500 C, модуль, это 4 см² может производить 7,2 Вт энергии. Установленная рядом выхлопной трубы автомобиля, например, это превращается электричество может привести электрические компоненты автомобиля, так существенно снизить нагрузку на генератор автомобиля, снижения затрат на топливо и общих выбросов. В июне, ГМЗ успешно создана 200 ватт от большего ТЭГ в рамках программы на $ 1,5 млн при поддержке Министерства энергетики США (DOE). Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге интегрировать несколько ГТЭ 200-ваттных в боевой машины Bradley, военного танка США, чтобы произвести 1000 ватт, помогая сэкономить на потребляемой на поле боя, который может стоить $ 40 за галлон топлива.
ГМЗ также работает под другим $ 9000000 DOE грант в рамках программы по улучшению экономии топлива в легковых автомобилей на 25 процентов. ГМЗ планирует в ближайшее время применить свои ГТЭ для автомобилей, с целями повышения эффективности на 5 процентов.
Концепция термоэлектриков восходит к 1821 году Первоначально под названием эффект Зеебека, в честь его первооткрывателя Томаса Зеебека.
Термоэлектрические технологии набрали обороты в 1950, так как компании и исследовательские лаборатории начали финансирование проектов довести технологию до реальных приложениях. Хотя эти усилия привели к нишевых приложений в холодильной и датчиков, крупномасштабных приложений, не оправдались, потому что термоэлектрические материалы известны своей неэффективностью. В то время как эти материалы проводят хорошо электроэнергию, они также проводят тепло хорошо, так они быстро уравнивают температуру быстро, что приводит к низкой эффективности.
Поле остался на прежнем уровне в течение многих десятилетий. Тогда, в 1990-х годах, исследователи, в том числе Институт почетный профессор Милдред Дрессельхауз в Массачусетском технологическом институте-начал с использованием нанотехнологий реструктурировать термоэлектрические материалы для большей эффективности.
Чэн прибыл в Массачусетском технологическом институте в 2001 году после исследования тонких пленок и нанопроволоки на основе термоэлектрики в течение четырех лет в университете Калифорнии в Лос-Анджелесе, в том числе на дальние расстояния сотрудничестве с Дрессельхауз. В Массачусетском технологическом институте, он продолжил свое сотрудничество с Дрессельхауз и Реном, экспертом а области материалов, начал разрабатывать новые материалы.
Тогда, в 2008 году, Чэн и Рен встретили новую веху: они поняли, что на 40 процентов в эффективности висмута теллурида сурьмы-материалов, используемых в термоэлектрических охладителей-помощи недорогой процесс.
Как описано в Science статье, что год, Чэнь и его команда дробленого материала в наноскопической пыли и восстановленного его в объемном виде-с зернами и неровности, что резко замедлили прохождение фононов через материал. (Фононы, квантовый режим вибрации, являются основным средством теплопроводности.) Это осадил теплопритоков, позволяя при этом для обеспечения свободного потока электронов.
Использование экономичную и безопасную сплава в объемном виде в виду материал может быть применен в различных приложениях. И Чэн увидел, что методично "в настоящее время широко используется во всем мире," говорит-был он созрел для коммерциализации. "С термоэлектриков, вы всегда проводит исследования для потенциального применения," говорит он. "После того, как материал был хорошим, это было время, чтобы двигаться."
"Но мы были немного наивны," говорит Чэн. "Получается, что так как термоэлектрический рынок невелик, нет большого покупателя. Мы поняли, что мир нуждается в устройстве."
Три года спустя, они были материальные продукты, чтобы передать инвесторам: устройство, которое могло привлечь электричество из солнечных коллекторов водогрейных и ранней версии текущего модуля ТЭГ. Им удалось привлечь $ 7 млн в первом раунде финансирования и $ 18 млн через несколько месяцев.
Но проблемы сохранялись. Потому что не было ни одного похожего продукт на рынке, они прошли через годы проб и ошибок; принятии решения по материалам, например, является сложной задачей, так как в термоэлектрических приложений есть много типов материалов для использования и разнообразные источников тепла. "Эффективность материала зависит от температуры ," объясняет Чэн. "Таким образом, вы должны смотреть на то, что температура источника тепла, и какой материал соответствует этому температурный диапазон."
Для их коммерческих модулей ТЭГ, которые компания начала производить около 2011, из сплава с сильным кристаллической структуры, что позволяет большую стабильность при высоких температурах. Но у компании есть планы на будущее для других материалов: теллурида висмута, теллурида свинца и других.
Помимо давая компании толчок, развитие ГТЭ был средством, помогая весь рынок развиваться, Чэн говорит: "Термоэлектрики не то, что вы можете видеть, что это не как это было признано как батарея или фотоэлемента Потребности целые поля.. успешные продукты на рынке для поддержания, вдохновлять и стимулировать инновации. Это действительно миссия для людей, работающих на этом. "
|
