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俄亥俄州立大学开发横向热电装置 可利用汽车尾气中的废热发电

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58京牌 热电发电机可以利用废热产生电力,有望成为减少温室气体排放的有用工具。但是,该类设备存在一个最棘手的问题——发电机的热端需要接触电。对于产生电流的材料来说,热端通常太热,导致发电机逐渐发生故障。

(图片来源:俄亥俄州立大学)

所谓的横向热电装置,通过产生垂直于传导设备的电流来避免这一问题,只需接触发电机的冷端。尽管被视为一项很有前途的技术,但已知能产生这种侧电压(sideways voltage )的材料实际上效率并不高。,在一项新研究中,俄亥俄州立大学的研究人员发现了一种单一材料。这种由铼和硅元素组成的层状晶体,成为横向热电器件中的黄金化合物。

研究人员证明,由于一种罕见的特性,这种材料能够作为一种高效的热电发电机发挥作用:它可以同时携带正、负电荷,这两种电荷独立移动,而不是平行前进。这意味着电荷会曲折地到达接触点,从而产生电流。

研究人员建造一个带有大约两英寸长晶体的热电发电机,并且确定当晶体位于设备的特定角度时,可以产生惊人的功率。俄亥俄州立大学的化学和生物化学教授Joshua Goldberger表示:“我们证明,这些材料与传统热电发电机技术一样有效,但克服了其中的主要缺点。这是首次证明这种设备是可行的。这种化合物的效率比以往任何横向装置都高出多个数量级,与你能买到的商用产品一样好,但有望变得更简单、更可靠。”

97%的能源产生自热量。然而,大部分热量被浪费了,从烟囱、汽车排气管都排出去了。俄亥俄州立大学的机械和航空航天工程教授Joseph Heremans表示:“废热确实具有重要意义。一直以来,人们都在寻求提高以热能为动力的发动机的效率。我们希望开发不带活动部件的小型发动机,以吸收热量并发电。”现在他们做到了这一点。

大多数材料只能传导一类电荷,因此热电器件往往由多种化合物组成。与其接触的复杂性,阻碍了开发易于构建且能承受高温的高效热电发电机。两年前,同一研究小组在一种不同的化合物中发现了意想不到的特性。这种化合物允许电子和空穴(分别是负电荷和正电荷的来源)单独移动,等于是说其中一种电荷沿着南北高速公路移动,另一种电荷沿东西高速公路移动。在此之后,研究人员一直在努力寻找具有相同功能的晶体。到目前为止,他们已对国际数据库中的11万多种晶体结构进行检索,并通过实验确认了15种具有这些性质的材料。

俄亥俄州立大学的材料科学与工程学教授Wolfgang Windl表示:“我们要做的是将电线接到一端,并以某种方式定向晶体,这样就有了一个没有移动部件的发电机。你可以利用家里、汽车或火箭中的废热,持续产生无排放电力。”

理论上来讲,用这种化合物制造的发电机,可以利用任何地方产生的热量,而且晶体的大小可以调整。

Heremans表示,该发电机可以利用汽车尾气产生足够的电力,从而推动车辆前进。他赞成在较小范围使用这项技术,“小规模应用不欢迎复杂的解决方案,因为成本太高。这样简单的解决方案,或许是最好的。”

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