Техника собирает отходящее тепло из неиспользованных источников

Термоэлектрические материалы преобразуют тепло в электричество или наоборот. Однако их применение для сбора отработанного тепла ограничено проблемами изготовления и материалов. Поиск экономически эффективных способов покрытия больших и потенциально сложных поверхностей остается проблемой, но крайне важно использовать преимущества источников отработанного тепла.

Ученые-материаловеды из Национальной лаборатории им. Лоуренса Ливермора (LLNL) использовали технологию аддитивного производства, называемую осаждением в холодном распылении, для создания термоэлектрических генераторов, которые могут собирать отходящее тепло из ранее недоступных источников, таких как трубы со сложной геометрией. Генераторы показывают хорошую производительность в широком диапазоне температур.

Отработанное тепло является огромным неиспользованным ресурсом. Тринадцать квадриллионов BTU энергии теряются ежегодно из-за избыточного тепла в промышленности США. BTU, или британская тепловая единица, является единицей измерения энергии, для сравнения: 3600 BTU эквивалентны примерно 1 киловатт-часу.

Но только три четверти BTU извлекаются и вводятся в эксплуатацию посредством совместного размещения процессов, рекуперации энергии с помощью котлов и термоэлектрической рекуперации. Одной из проблем в сборе энергии является разработка генератора, который может эффективно собирать или аккумулировать тепло. Чтобы термоэлектрический материал был эффективным, он должен преобразовывать температурный градиент в напряжение. Это также требует высокой электропроводности, но низкой теплопроводности.

В новом исследовании, опубликованном в Журнале Общества минералов, металлов и материалов (JOM), команда распыляла порошок теллурида висмута в холодном виде на подложки от нержавеющей стали до силиката алюминия и кварца. Распыляемый материал имел случайно ориентированную микроструктуру, в значительной степени свободную от пор, и осаждение при холодном распылении достигалось без существенных изменений состава.

“Эти результаты демонстрируют мощь и универсальность производства присадок для холодного распыления и обеспечивают путь к производству термоэлектрических генераторов со сложной геометрией, которые недоступны для генераторов, изготовленных традиционными методами”, – сказал физик LLNL по материалам Алекс Бейкер, ведущий автор статьи.

Нанесение покрытий методом холодного распыления широко используется в промышленности для антикоррозийных облицовок, повышения функциональных способностей поверхности и локального ремонта. В этом методе частицы металла микронного масштаба уносятся в сверхзвуковой газ и направляются на поверхность металла. При ударе частицы пластически деформируются и связываются с поверхностью или друг с другом.

Холодное распыление, как правило, ограничивалось ковкими материалами, что делает его хорошо подходящим для конструкционных элементов и сплавов, но плохо приспособлено для функциональных материалов, которые обычно являются хрупкими. В сотрудничестве с промышленным партнером TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL работает над расширением ассортимента материалов, которые можно распылять в холодном состоянии, в рамках программы фондов коммерциализации технологий (TCF), финансируемой Министерством энергетики.

“Холодное распыление работает при сравнительно низких температурах, ниже точки плавления большинства функциональных материалов, поэтому привлекательным является рассмотрение возможности применения технологии аддитивного производства, которая сохраняет специально разработанную микроструктуру, обеспечивающую функциональные свойства”, – сказал Бейкер.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) не имеют движущихся частей, не основаны на химических реакциях и имеют длительный срок эксплуатации без требований к техническому обслуживанию, что делает их отличными кандидатами для источников питания в удаленных или недоступных местах. На сегодняшний день применение ТЭГ для сбора отработанного тепла было ограниченным, отчасти из-за сложности изготовления деталей, которые имеют тесный тепловой контакт с ребрами охлаждения или излучаются из передающих труб.

Группа пришла к выводу, что осаждение при холодном распылении может привести к получению объемных кусков термоэлектрического теллурида висмута на самых разнообразных подложках без потери структурной целостности, демонстрируя, что холодное напыление является жизнеспособной альтернативой традиционным подходам к производству термоэлектрических материалов.

“Одна из наших целей – донести эту технологию до LLNL, где она может быть применена к широкому кругу проблем аддитивного производства”, – сказал Гарри Радовский, главный исследователь TCF.