Polscy naukowcy opracowali wydajne moduły termoelektryczne

Wykorzystuje się jedynie 40% energii ze spalania węgla i węglowodorów; pozostałe 60% rozprasza się w powietrzu w postaci ciepła odpadowego.

Jedną z technologii przekształcających tę resztkową energię cieplną w energię elektryczną są moduły termoelektryczne. Inżynierowie z polskich ośrodków opracowali ich małą wersję pozbawioną ruchomych części mechanicznych.

AGH stwierdziła: „Podobnie jak w przypadku ogniw słonecznych, moduły zbudowane są z małych kostek półprzewodnikowych połączonych szeregowo”.

Tradycyjnie elementy termoelektryczne umieszcza się pomiędzy warstwami ceramiki, które służą jako izolatory. Kiedy jedna warstwa jest podgrzewana, a druga chłodzona, tworzy się pole elektryczne, co powoduje przepływ prądu elektrycznego.

Na razie moduły termoelektryczne nie są w pełni wykorzystywane, głównie dlatego, że są drogie i mało wydajne. Wykorzystuje je m.in. NASA w sondach i pojazdach kosmicznych. „W tym przypadku ciepło, które następnie przekształca się w energię elektryczną, powstaje w wyniku naturalnego rozpadu izotopów promieniotwórczych, na przykład plutonu-238. Podczas misji kosmicznych trudno jest wytworzyć energię elektryczną innymi metodami; dlatego cena nie jest kluczowym czynnikiem przy podejmowaniu decyzji, którą technologię zastosować” – stwierdziła AGH.

Zespół kierowany przez profesora Krzysztofa Wojciechowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, we współpracy z partnerami z Sieci Badawczej Łukasiewicz i Instytutu Fizyki PAN w Warszawie, opracował i stworzył prototyp modułu termoelektrycznego o moc gęstości około 2,5 kW/m2, co dziesięciokrotnie przewyższa komercyjne ogniwa fotowoltaiczne. Twórcy twierdzą, że znacznie obniżyli koszt swoich modułów w porównaniu do komercyjnych odpowiedników, zastępując warstwy ceramiczne tańszymi stopami aluminium o lepszym przewodnictwie cieplnym. Te stopy aluminium są bardziej plastyczne niż ceramika, co pozwala na tworzenie modułów o niemal dowolnym kształcie i dopasowanie ich do konkretnych systemów odzysku ciepła.

Zdaniem twórców proces technologiczny i koszt materiałowy ich rozwiązania są „podobne do pojedynczego elementu ogniwa słonecznego tej samej wielkości”. Profesor Wojciechowski stwierdził: „Biorąc pod uwagę znacznie poprawioną gęstość mocy przetwornic termoelektrycznych, cena 1 W mocy również powinna być wyraźnie korzystna niż w przypadku paneli fotowoltaicznych”.

Autorzy wynalazku twierdzą, że aby w pełni wykorzystać zalety nowej technologii, należy obniżyć koszty produkcji konwerterów. Mówią: „Cena pojedynczego modułu termoelektrycznego wyprodukowanego w laboratorium, gdzie każdy element został praktycznie wykonany ręcznie przez członków zespołu, jest porównywalna z ceną smartfona z najwyższej półki. Automatyzacja i masowa produkcja sprzyjałyby sprowadzeniu kosztów przynajmniej do poziomu powszechnie dostępnych ogniw fotowoltaicznych.”

Naukowcy szukają teraz inwestora, który zbuduje prototypową linię produkcyjną. Wojciechowski powiedział, że firmy produkujące lub rozwijające technologie termoelektryczne istnieją obecnie tylko w Chinach, Stanach Zjednoczonych, Ukrainie i Rosji.

Naukowcy od lat z sukcesem opracowują technologie polegające na przetwarzaniu ciepła odpadowego na energię elektryczną. Oprócz tanich modułów naukowcom udało się uzyskać „znacznie wydajniejsze i obiecujące, choć obecnie droższe” materiały termoelektryczne, charakteryzujące się rekordową efektywnością przekraczającą 15%.

Wojciechowski powiedział: „Produkty dostępne obecnie na rynku osiągają skuteczność od 4% do 5%; te używane w łazikach marsjańskich Curiosity i Perseverance 8%; prawie to podwoiliśmy”.

Efektywność konwersji energii zależy od współczynnika termoelektrycznego ZT. Większość zespołów badawczych koncentruje się na maksymalizacji tego konkretnego parametru. AGH podaje: „Tymczasem wieloletnie prace badawcze prowadzone przez zespół profesora Wojciechowskiego dowodzą, że materiały o dobrych, ale nie doskonałych wartościach ZT wykazują lepszą wydajność w szerokim zakresie temperatur”.

Aby uzyskać materiał o pożądanych właściwościach, zespół profesora Wojciechowskiego opracował dwie metody modyfikacji polegające na zmianie jego właściwości strukturalnych i mikrostrukturalnych.

AGH mówi: „W pierwszej metodzie naukowcy oparli się na koncepcji materiałów stopniowanych funkcjonalnie, w których przy odpowiednio dobranych domieszkach można jednocześnie regulować dwa parametry wpływające na lokalną wartość parametru ZT: poziom Fermiego i szerokość szczeliny. zespół. W ramach drugiej metody opracowano materiały kompozytowe, które znacznie zmniejszają przenoszenie ciepła i zachowują dobrą przewodność elektryczną”.

Profesor Wojciechowski dodał: „Dobry materiał termoelektryczny nie powinien przewodzić ciepła, ale powinien bardzo dobrze przewodzić prąd. Trudno jednak spełnić te wymagania, ponieważ te dwie cechy są powiązane z pewnymi właściwościami fizycznymi. Zamiast tego możemy wyprodukować materiał, który stanowi barierę dla przenikania ciepła podobną do gąbki lub styropianu, a jednocześnie przewodzi prąd elektryczny jak metale”.

Prace badawcze zespołu realizowane były w ramach projektów finansowanych przez Fundację Nauki Polskiej oraz Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

PAP – Nauka w Polsce

amk/ zan/ kap/

tr. RL