Naukowcy z AGH stworzyli przełomowe moduły termoelektryczne
AGHTechnologie używane dotychczas do konwertowania ciepła odpadowego na prąd cechuje niska wydajność i wysoka cena, przez co ich zastosowania są mocno ograniczone. Wkrótce może się to zmienić za sprawą naukowców i doktorantów z AGH, którzy opracowali niedrogie moduły termoelektryczne o gęstości mocy ponad dziesięciokrotnie przewyższającej ogniwa fotowoltaiczne. Teraz poszukują inwestora, który podejmie się stworzenia prototypowej linii produkcyjnej.
Żeby zasilać rozmaite procesy techniczne, które napędzają naszą cywilizację, potrzebujemy energii. Wciąż jest ona w przeważającej większości produkowana w wyniku spalania paliw kopalnych. Choć płacimy za to ogromną cenę w postaci emisji do atmosfery dwutlenku węgla potęgującego efekt cieplarniany, nawet w połowie nie wykorzystujemy pierwotnego potencjału surowców energetycznych.
Istnieją technologie, które pozwalają na przekształcenie odpadowej energii cieplnej w energię elektryczną. Można w tym celu wykorzystać instalacje mechaniczne – np. systemy ORC czy silniki Stirlinga, które jednak często okazują się zbyt problematyczne w eksploatacji. Alternatywą są pozbawione ruchomych elementów mechanicznych i niewielkie gabarytowo moduły termoelektryczne.
Ograniczone zastosowania generatorów termoelektrycznych
Przykładem zaawansowanego zastosowania generatorów termoelektrycznych są sondy i łaziki kosmiczne używane np. przez NASA. W ich przypadku ciepło, które następnie konwertowane jest na prąd, produkowane jest w wyniku rozpadu radioaktywnych izotopów, np. plutonu-238. W warunkach ziemskich źródłem ciepła mógłby być jednak np. piec w cementowni bądź hucie, instalacja rafineryjna czy geotermalna albo przewód spalinowy samochodu. Dlaczego więc technologia używana z powodzeniem w kosmosie nie znajduje szerokiego zastosowania i tracimy wiele darmowych zasobów?
Przeszkodą do tego jest wysoka cena podzespołów termoelektrycznych, a co za tym idzie niekorzystny stosunek kosztu instalacji do wartości wytworzonej przez nią energii. W warunkach ziemskich koszt urządzeń termoelektrycznych w stosunku do wartości uzyskanej energii elektrycznej jest wciąż zbyt wysoki. Wkrótce może się to jednak zmienić za sprawą naukowców z Akademii Górniczo-Hutniczej.
Tanie i wydajne moduły opracowane w AGH
Zespół kierowany przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Wojciechowskiego opracował i wytworzył prototypowe moduły termoelektryczne o gęstości mocy zbliżonej do 2,5 kW/m2, co daje im dziesięciokrotną przewagę w tym względzie nad komercyjnymi ogniwami fotowoltaicznymi.
– Zważywszy na znacznie większą gęstość mocy konwerterów termoelektrycznych, cena za 1 W mocy elektrycznej powinna być też znacznie korzystniejsza niż w przypadku paneli fotowoltaicznych – deklaruje prof. Wojciechowski.
Koszt modułów udało się znacząco obniżyć w stosunku do komercyjnych odpowiedników m.in. dzięki zastąpieniu ceramicznych okładzin mniej kosztownymi i znacznie lepiej przewodzącymi ciepło stopami aluminium. Co więcej, stopy aluminium są łatwiej formowalne niż ceramika, dzięki czemu można konstruować moduły o niemal dowolnych kształtach dostosowanych do danego systemu odzysku ciepła.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Nowe podejście do materiałów termoelektrycznych
W celu uzyskania materiałów o pożądanych właściwościach zespół prof. Wojciechowskiego opracował dwie metody ich modyfikacji, które zmieniają ich właściwości strukturalne i mikrostrukturalne. W przypadku pierwszej naukowcy rozwinęli koncepcję materiałów gradientowych, w których za pomocą starannie wyselekcjonowanych domieszek regulują jednocześnie dwa parametry mające wpływ na lokalną wartość parametru ZT: energię Fermiego oraz szerokość przerwy energetycznej. W przypadku drugiej – opracowali materiały kompozytowe, w których transport ciepła jest znacząco ograniczony przy zachowaniu dobrego przewodnictwa elektrycznego.
– Dobry materiał termoelektryczny nie powinien przewodzić ciepła, ale powinien dobrze przewodzić prąd. Bardzo trudno jest jednak pogodzić te wymagania, ponieważ wiążą je pewne zależności fizyczne. Jesteśmy natomiast w stanie wyprodukować materiał, który stanowi barierę dla transportu ciepła podobnie jak gąbka czy styropian, a jednocześnie przewodzi prąd jak metale – podsumowuje naukowiec z AGH.
Źródło: AGH
