Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это объясняется так называемый эффект Зеебека: если есть разница температур между двумя концами такого материала, электрическое напряжение может генерироваться и ток начинает течь. Количество электрической энергии, которую можно получить при заданном перепаде температур измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ЗТ материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.
Лучшие Термоэлектрика на сегодняшний день были измерены на ЗТ значения около 2,5 до 2,8. Ученые в TU Wien (Вена) удалось разработать совершенно новый материал со значением ЗТ от 5 до 6. Он представляет собой тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия наносится на кристалл кремния.
Новый материал настолько эффективен, что он может быть использован для получения энергии для датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо подключения небольших электрических устройств, кабелей, они могли генерировать собственную электроэнергию из разницы температур. Новый материал был представлен в журнале Nature.
Электричество и температуры
«Хороший термоэлектрический материал должен показать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые сложно совместить», — говорит профессор Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела при техническом университете Вены. «С одной стороны, ее следует провести как можно лучше электричества; с другой стороны, она должна транспортировать жару как плохо, как это возможно. Это вызов, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».
На Кристиана Доплера Лаборатория Термоэлектричества, которое Эрнст Бауэр создана в TU Wien в 2013, различных термоэлектрических материалов для различных применений были изучены за последние несколько лет. Это исследование привело к открытию особо замечательный материал-комбинация железа, ванадия, вольфрама и алюминия.
«Атомы в этом материале, как правило, расположены в строго закономерность в так называемой гранецентрированной кубической решеткой», — говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно и для других типов атомов. Поэтому весь Кристалл вполне закономерен».
Однако, когда тонкий слой материала наносится на силиконовую, что-то удивительное происходит: радикально меняется структура. Хотя атомы по-прежнему образуют рисунок кубических, они теперь располагаются в пространственно-ориентированную структуру, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. «Два атома железа могут сидеть рядом друг с другом, места рядом с ними может быть занято ванадия или алюминия, и уже нет никаких правил, определяющих, где рядом находится атом железа в кристалл», — объясняет Бауэр.
Эту смесь регулярности и нерегулярности атомной договоренности также изменяет электронную структуру, которая определяет, как движутся электроны в твердом. «Электрический заряд перемещается через материал специальным образом, так что она защищена от процессов рассеяния. Порции заряда путешествия через материал, называются фермионов Вейля», — говорит Эрнст Бауэр. Таким образом, очень низкое электрическое сопротивление достигается.
Колебания решетки, с другой стороны, которые транспортируют тепло от мест высокой температурой в места низких температур, препятствует нарушения в кристаллической структуре. Следовательно, уменьшается теплопроводность. Это важно, если электрическая энергия будет генерироваться постоянно от перепада температур, потому что при перепадах температур может очень быстро сравняет И весь материал вскоре будет иметь одинаковую температуру везде, термоэлектрический эффект придет в тупик.
Электричество для Интернета вещей
«Конечно, такой тонкий слой не удается создать особенно большого количества энергии, но она имеет то преимущество, что чрезвычайно компактный и адаптации», — говорит Эрнст Бауэр. «Мы хотим использовать это, чтобы обеспечить энергию для датчиков и небольших электронных приложений». Спрос на такие мелкие генераторы быстро растет: в «Интернет вещей» все больше и больше устройств связаны друг с другом в интернете, они автоматически координировать свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производств, где одна машина должна динамично реагировать на другой.
«Если вам нужно большое количество датчиков на фабрике, невозможно связать их все вместе. Это гораздо умнее для датчиков, чтобы быть в состоянии генерировать собственные силы, используя небольшие термоэлектрические устройства», — говорит Бауэр.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!