Игра лаборатории WVU

Oct 02, 2023

Исследователи WVU Серджио Андрес Паредес Навиа, Сезар Октавио Ромо де ла Круз, Лян Лян и Эллена Геммен используют электронный микроскоп для изучения наноструктуры нового оксидного керамического материала, который потенциально может сделать термоэлектрические генераторы достаточно эффективными, чтобы улавливать значительную часть отходов. тепло, которое выделяют промышленные системы, такие как электростанции. (Прислано фото)

Исследователи из Университета Западной Вирджинии разработали материал, способный значительно сократить количество выбросов тепловых электростанций в атмосферу.

Команда под руководством Сюэяна Сонга, профессора и заведующего кафедрой инженерных наук имени Джорджа Б. Берри в Колледже инженерии и минеральных ресурсов имени Бенджамина М. Статлера, создала оксидный керамический материал, который решает давнюю проблему эффективности, с которой сталкиваются термоэлектрические генераторы. Эти устройства могут генерировать электроэнергию из тепла, включая тепловые выбросы электростанций, которые способствуют глобальному потеплению.

Команда Сонга, создавшая революционную оксидную керамику, «достигла рекордно высоких показателей, которые раньше считались невозможными», сказала она. «Мы продемонстрировали лучшую термоэлектрическую оксидную керамику, представленную в этой области во всем мире за последние 20 лет, и результаты открывают новые направления исследований, которые могут еще больше повысить производительность».

Сезар Октавио Ромо де ла Круз, Юн Чен, Лян Лян и Серхио А. Паредес Навиа внесли свой вклад в исследование, получив поддержку в размере 639 784 долларов США от Национального научного фонда. Результаты опубликованы в Обзорах возобновляемой и устойчивой энергетики.

Оксидная керамика принадлежит к тому же семейству, что и такие материалы, как керамика, фарфор, глиняный кирпич, цемент и кремний, но содержит различные металлические элементы. Они твердые, устойчивы к нагреву и коррозии и хорошо подходят для работы при высоких температурах на воздухе. Они могут служить материалом для компонентов термоэлектрического генератора.

Однако оксидная керамика имеет «поликристаллическую» структуру, состоящую из множества связанных кристаллов. Инженеры сталкиваются с проблемами при крупномасштабном термоэлектрическом применении этих материалов, поскольку «границы зерен», места, где встречаются эти кристаллы, блокируют ток и поток электронов, которые питают термоэлектрические генераторы.

Команда Сун превратила этот камень преткновения в ступеньку.

«Мы намеренно добавляли «добавки», или ионы металлов, в поликристаллическую керамику, заставляя специальные виды примесей сегрегировать границы зерен», — сказал постдокторант Ромо де ла Круз. «Именно так мы превратили неизбежные и вредные границы зерен в пути проведения электричества, значительно улучшив термоэлектрические характеристики».

Исследование является ответом на растущую проблему отходящего тепла, способствующего изменению климата и побочного продукта большинства операций по преобразованию топлива в энергию. Когда лампочки становятся горячими на ощупь, они выделяют ненужное тепло: неэффективную дополнительную энергию, которая не способствует их основной работе по производству света. Отработанное тепло выбрасывается в атмосферу такими разнообразными системами, как электростанции, системы отопления домов и автомобили, и его выбрасывается настолько, что, по прогнозам, к 2026 году мировой рынок систем, которые его утилизируют, превысит 70 миллиардов долларов.

«Тепло используется для производства практически всего: от продуктов питания до металлов и электричества», — объяснил Ромо де ла Крус. «Но во время этих процессов около 60% производимой энергии непроизводительно выбрасывается в окружающую среду в виде тепла. Утилизация отходящего тепла будет играть все более ключевую роль в балансировании растущего спроса на электроэнергию и углеродного следа промышленных процессов. Термоэлектрический оксид керамика, подобная нашей, вступает в игру, существенно улучшая способность термоэлектрических генераторов преобразовывать отходящее тепло в электричество».

Термоэлектрические генераторы являются многообещающей технологией утилизации отходящего тепла отчасти потому, что они просты в эксплуатации и обслуживании. Мощный термоэлектрический генератор мог бы улавливать значительную часть отработанного тепла электростанции.