Penjanaan termoelektrik yang sangat berkesan, tetapi hanya dalam keadaan sejuk

Ini kerana Ars, saya menjangkakan bahawa banyak pembaca akrab dengan penyejuk Peltier, yang menggunakan sesuatu yang dipanggil kesan termoelektrik dan menggunakan kuasa elektrik untuk mengepam haba. Perkara yang baik tentang kesan termoelektrik ialah ia berfungsi dengan baik: perbezaan suhu boleh menghasilkan kuasa elektrik. Masalahnya, tentu saja, adalah bahawa menjana elektrik dengan cara ini adalah seperti yang cekap sebagai rumah pembersihan remaja.

Tetapi jika anda memilih bahan yang betul, ia tidak perlu seperti itu. Penyelidikan terkini menunjukkan bahawa mungkin untuk menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik dengan kecekapan dalam lingkungan 15-20 peratus. Jika boleh sebenarnya direalisasikan, ia akan menjadi pendahuluan yang luar biasa.

Meletakkan haba ke atas kecekapan

Apa yang membuat penukaran termoelektrik begitu tidak cekap? Ia beralih kepada bagaimana haba dan elektrik dipindahkan melalui bahan. Haba dibawa melalui bahan dalam dua cara yang berbeza. Satu laluan adalah melalui getaran atom-pada dasarnya haba dibawa oleh gelombang bunyi yang dipanggil fonon. Tetapi elektron juga boleh membawa haba. Dalam penebat, elektron tidak bergerak sangat jauh, jadi haba hanya dibawa oleh fonon. Namun, dalam konduktor elektrik, pemindahan haba lebih cenderung dikuasai oleh gerakan elektron.

Elektron membawa tenaga beberapa jarak, kemudian melantun sebuah atom, memindahkan tenaga kepada fonon. Yang terbalik juga berlaku, jadi tenaga mengalir ke belakang antara fonon dan elektron. Proses ini berlaku dengan sangat cepat, yang dengan cepat menggerakkan tenaga terma melalui bahan-bahan elektrik yang dijalankan.

Ini tidak baik untuk penukaran termoelektrik yang cekap, kerana anda memerlukan kekonduksian elektrik yang sangat baik dan kekonduksian terma yang tidak baik untuk memastikan haba menjadi elektron bergerak. Walau bagaimanapun, hubungan antara kekonduksian haba elektron dan kekonduksian elektrik bahan adalah, dalam kebanyakan kes, tetap. Itu meninggalkan penyelidik bilik yang sangat sedikit untuk mengoptimumkan atau meningkatkan generasi thermoelectric.

Elektron yang mengabaikan atom

Terdapat pengecualian. Langkah kritikal bukanlah bahawa elektron membawa tenaga termal tetapi mereka memberikan kembali kepada fonon. Tetapi, dalam beberapa bahan, elektron tidak sering berlaku kepada atom, jadi pemindahan tenaga dari elektron ke phonon tidak cekap. Lebih baik lagi, elektron bertabrakan dengan satu sama lain. Gabungan ini boleh menghasilkan aliran cas bersih dalam satu arah (arus elektrik), sementara pemindahan haba dikurangkan oleh perlanggaran di kalangan elektron. Satu bahan yang memenuhi kriteria ini adalah graphene.

Satu pasukan penyelidik mengira bagaimana ini akan berfungsi untuk persimpangan antara dua bit graphene. Dalam pengiraan pertama para penyelidik, mereka menggunakan keadaan litar terbuka supaya tidak mengalir arus. Ini menunjukkan bahawa perkadaran kuasa terma yang diserap oleh elektron berhampiran persimpangan bertambah apabila peningkatan kuasa masuk. Sebenarnya, elektron memfokuskan haba di persimpangan tetapi tidak memindahkan tenaga kepada fonon. Ini menghasilkan kecerunan suhu yang sangat curam di antara tepi bit graphene dan simpang.

Untuk menguji bahawa ini benar-benar disebabkan oleh pemindahan tenaga yang tidak cekap kepada fonon, para penyelidik mengubah model mereka untuk menambah pemindahan tenaga tambahan kepada fonon. Melakukannya yang mengurangkan kecerunan suhu, dan tidak ada kesan yang memfokuskan pada semua (sebaliknya, sebenarnya spread haba).

Mengambil tenaga

Adakah ini berlaku apabila elektron dibenarkan untuk menjalankan dan tenaga diekstrak? Jawapannya ya, nampaknya. Apabila litar ditutup oleh perintang, para penyelidik menunjukkan bahawa, walaupun pemindahan haba phonon sisa dipertanggungjawabkan, kira-kira 15 peratus daripada sinaran terma yang masuk adalah output sebagai tenaga elektrik.

Jadi, bagaimana realistik adalah penukaran kuasa terma-elektrik langsung? Nah, pertama sekali, ini adalah pengiraan. Eksperimen masih perlu dilakukan. Dan ada beberapa "gotchas!" di dalam kertas. Sebagai contoh, kecekapan maksimum sepadan dengan keamatan sinaran haba kira-kira 200W / cm2. Untuk meletakkan perspektif ini, keamatan sinaran dari lampu panas dengan suhu filamen kira-kira 2700ºC akan memenuhi keperluan ini (pada jarak 60cm). Ini kelihatan sukar untuk dicapai dalam kegunaan biasa.

Kemudian ada masalah material. Di sini, penyelidik telah menggunakan graphene untuk pengiraan mereka. Ia adalah, sejauh ini, bahan terbaik yang tersedia untuk jenis peranti ini. Tetapi untuk mendapatkan kecekapan yang tinggi, anda perlu menyejukkan kisi graphene ke -223ºC, jika fonon akan mula memindahkan banyak haba. Jadi, kecuali bahan-bahan baru datang, penjanaan elektrik thermoelectric kecekapan tinggi akan dihadkan kepada dua perkara: satu set eksperimen makmal yang sangat sejuk dan, mungkin, penjanaan tenaga untuk peralatan angkasa.

Saya masih mahu melihat kurang pemodelan dan hasil yang lebih eksperimen, walaupun.

Surat Pemeriksaan Fizikal, 2019, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.166802 (Mengenai DOI)