Hukkalämpö sähköksi uusin keinoin

Tohtori Tony Shien-Ping Feng sanoo, että suora lämpövarauskenno (DTCC) voi antaa käyttötehoa älykkäille pienenergian laitteille. Esimerkiksi kehon lämmöstä syntyvä jännite pystyy tukemaan vaikkapa terveydentilan antureita.

Tohtori Tony Shien-Ping Feng Hongkongin yliopistolta ryhmineen ovat kehitelleet suoratoimisen termisen varauskennoston (DTCC), joka voi tehokkaasti muuntaa lämpöä sähköksi.

Erilaista heikkolaatuista hukkalämpöä on runsaasti saatavana teollisuusprosesseista, ympäristöstä ja geotermisenä energiana.

Tohtori Feng toteaa, että ”Tehokas heikkolaatuisen lämmön talteenotto voi auttaa vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä, mutta nykyiset tekniikat tämän lämmön muuntamiseksi sähköksi ovat edelleen kaukana optimaalisuudesta.

DTCC tuottaa yli 3,5 %:n muuntohyötysuhteen, ylittäen kaikki olemassa olevat lämpösähkökemialliset ja lämpösähköiset järjestelmät, mitkä ovat joko liian kalliita tai monimutkaista tai liian heikkotehoisia päivittäisiin sovelluksiin.

Uusi lämpövarauskenno käyttää epäsymmetrisiä elektrodeja: grafeenioksidi/platina (GO/Pt) -katodia ja polyaniliini (PANI) -anodia Fe2+/Fe3+ -redox-elektrolyytissä isotermisen lämpöoperaation kautta ilman rakenteellista lämpötilagradienttia tai lämpöjaksoa.

Lämmitettäessä kenno tuottaa jännitettä GO:n lämpö pseudokapasitiivisen vaikutuksen kautta ja purkautuu sitten jatkuvasti hapettamalla PANI-anodia ja pelkistämällä Fe3+ arvoon Fe2+ isotermisessä kuumennuksessa katodipuolella Fe3+:n ehtymiseen asti.

Energianmuutos toimii jatkuvasti isotermisessä lämmössä koko varaus- ja purkuprosessin ajan. Järjestelmä voi itsestään uudistua jäähtyessään.

TU Wienin tutkijat ovat puolestaan onnistuneet kehittämään täysin uuden lämpösähköisen materiaalin, jonka ZT-arvo on 5 - 6. Tähän mennessä parhaat mitatut lämpösähköiset ZT-arvot ovat noin 2,5 - 2,8. Hyvän lämpösähköisen materiaalin tulisi johtaa sähköä mahdollisimman hyvin mutta toisaalta kuljettaa lämpöä mahdollisimman huonosti.

Uusi materiaali on rauta-, vanadiini-, volframi- ja alumiinikerros, joka levitetään piikiteisiin. Ohutkalvoisten lämpö- ja elektroniikkaominaisuudet perustuvat Fe₂V_0,8W_0,2Al -Heusler-seokseen, joka on valmistettu magnetroniruiskutuksella.

Uuden materiaaliyhdisteen atomijärjestelyn säännöllisyyden ja epäsäännöllisyyden sekoitus muuttaa sen elektronista rakennetta. "Sähkövaraus liikkuu materiaalin läpi tavalla, joka suojaa sitä sirontaprosesseilta. Osaa materiaalin läpi kulkevia varauksista kutsutaan Weyl fermioneiksi", professori Ernst Bauer toteaa. Tällä tavalla saavutetaan erittäin pieni sähköinen resistanssi.

Toisaalta hilan värähtelyt, jotka kuljettavat lämpöä korkean lämpötilan paikoista matalan lämpötilan puolelle, on estetty kiderakenteen epäsäännöllisyyksillä ja tästä syystä lämmönjohtavuus on vähäisempi.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampaa termosähköä

Lämpösähköä spinien tasolta