Il gruppo statunitense sviluppa un generatore termoelettrico flessibile più efficiente / US team develops more efficient flexible thermoelectric generator
Il gruppo statunitense sviluppa un generatore termoelettrico flessibile più efficiente / US team develops more efficient flexible thermoelectric generator
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Un nuovo generatore termoelettrico flessibile avvolge le superfici calde per convertire il calore di scarto in elettricità in modo più efficiente di quanto fosse possibile in precedenza, affermano gli scienziati.
I ricercatori della Penn State hanno lavorato per migliorare le prestazioni dei generatori termoelettrici che convertono le differenze di temperatura in elettricità. Quando i dispositivi sono posizionati vicino a una fonte di calore, gli elettroni che si spostano dal lato caldo al lato freddo producono una corrente elettrica.
"Una grande quantità di calore proveniente dall'energia che consumiamo viene essenzialmente buttato via, spesso disperso nell'atmosfera", ha affermato Shashank Priya, vicepresidente associato per la ricerca e professore di scienza dei materiali e ingegneria alla Penn State. “Non abbiamo avuto modi economici con forme conformi per intrappolare e convertire quel calore in energia utilizzabile. Questa ricerca apre quella porta”.
Nel lavoro precedente, il gruppo ha creato dispositivi rigidi più efficienti delle unità commerciali in applicazioni ad alta temperatura. Ora il gruppo ha sviluppato un nuovo processo di produzione per produrre dispositivi flessibili che offrono una maggiore potenza ed efficienza.
"Questi risultati forniscono un percorso promettente verso l'utilizzo diffuso della tecnologia termoelettrica nell'applicazione di recupero del calore di scarto", ha affermato Wenjie Li, assistente professore di ricerca presso la Penn State. "Ciò potrebbe avere un impatto significativo sullo sviluppo di generatori pratici da termici ad elettrici".
I dispositivi flessibili si adattano meglio alle fonti di calore di scarto più attraenti, come i tubi negli edifici industriali e residenziali e sui veicoli, hanno affermato gli scienziati. Inoltre, non devono essere incollati su superfici come i tradizionali dispositivi rigidi, il che diminuisce ulteriormente l'efficienza.
Nei test condotti su una canna fumaria, il nuovo dispositivo ha mostrato una densità di potenza superiore del 150% rispetto ad altre unità, gli scienziati hanno riferito in Applied Materials & Interfaces. Una versione ingrandita, poco più di tre pollici quadrati, ha mantenuto un vantaggio della densità di potenza del 115%. Quella versione mostrava una potenza totale di 56,6 W quando posizionata su una superficie calda, hanno detto gli scienziati.
"Pensa a una centrale elettrica industriale con tubi lunghi centinaia di piedi", ha detto Priya in una nota. “Se riesci ad avvolgere questi dispositivi attorno a un'area così grande, potresti generare kilowatt di energia dal calore sprecato che normalmente viene semplicemente buttato via. Potresti convertire il calore scartato in qualcosa di utile.
I dispositivi termoelettrici sono costituiti da piccole coppie collegate tra loro per formare un dispositivo piatto e quadrato.
Nel creare il nuovo dispositivo, gli scienziati hanno posizionato sei coppie lungo una striscia sottile. Hanno quindi utilizzato un foglio di metallo flessibile per collegare insieme 12 strisce, creando un dispositivo con 72 coppie. Il metallo liquido è stato utilizzato tra gli strati di ciascuna striscia per migliorare le prestazioni del dispositivo.
"Man mano che si ampliano questi dispositivi, spesso si perde densità di potenza, rendendo difficile la fabbricazione di generatori termoelettrici su larga scala", ha affermato Bed Poudel, professore associato di ricerca presso la Penn State. "Questo illustra le straordinarie prestazioni del nostro dispositivo a 72 coppie".
Il dispositivo a 72 coppie ha mostrato la potenza di uscita e la densità di potenza del dispositivo più alte riportate da un singolo generatore termoelettrico, hanno affermato gli scienziati.
Gli spazi tra le strisce forniscono la flessibilità per adattarsi a forme come i tubi. Le lacune consentono anche flessibilità nell'alterare il fattore di riempimento, o il rapporto tra l'area del materiale termoelettrico e l'area del dispositivo, che può essere utilizzato per ottimizzare i dispositivi termoelettrici per diverse fonti di calore, hanno affermato gli scienziati.
ENGLISH
Penn State researchers have been working to improve the performance of thermoelectric generators that convert differences in temperature to electricity. When the devices are placed near a heat source, electrons moving from the hot side to the cold side produce an electric current.
“A large amount of heat from the energy we consume is essentially being thrown away, often dispersed right into the atmosphere,” said Shashank Priya, associate vice president for research and professor of materials science and engineering at Penn State. “We haven’t had cost-effective ways with conformal shapes to trap and convert that heat to useable energy. This research opens that door.”
In prior work, the team created rigid devices that were more efficient than commercial units in high-temperature applications. Now the team has developed a new manufacturing process to produce flexible devices that offer higher power output and efficiency.
“These results provide a promising pathway toward widespread utilisation of thermoelectric technology into waste heat recovery application,” said Wenjie Li, assistant research professor at Penn State. “This could have a significant impact on the development of practical thermal to electrical generators.”
Flexible devices better fit the most attractive waste heat sources, like pipes in industrial and residential buildings and on vehicles, the scientists said. Furthermore, they do not have to be glued on surfaces like traditional, rigid devices, which further decreases efficiency.
In tests being conducted on a gas flue, the new device exhibited 150 per cent higher power density than other units, the scientists reported in Applied Materials & Interfaces. A scaled-up version, just over three-inches squared, maintained a 115 per cent power density advantage. That version exhibited a total power output of 56.6W when placed on the hot surface, the scientists said.
“Think about an industrial power plant with pipes hundreds of feet long,” Priya said in a statement. “If you can wrap these devices around an area that large, you could generate kilowatts of energy from wasted heat that’s normally just being thrown away. You could convert discarded heat into something useful.”
Thermoelectric devices are made up of small couples connected together to form a flat, square device.
In creating the new device, scientists placed six couples along a thin strip. They then used flexible metal foil to connect 12 of the strips together, creating a device with 72 couples. Liquid metal was used between the layers of each strip to improve device performance.
“As you scale up these devices, you often lose power density, making it challenging to fabricate large-scale thermoelectric generators,” said Bed Poudel, associate research professor at Penn State. “This illustrates the extraordinary performance of our 72-couple device.”
The 72-couple device exhibited the highest reported output power and device power density from a single thermoelectric generator, the scientists said.
The gaps between the strips provide the flexibility to fit around shapes like pipes. The gaps also allow for flexibility in altering the fill factor, or the ratio between the area of thermoelectric material and the area of the device, which can be used to optimise thermoelectric devices for different heat sources, the scientists said.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/us-team-increases-efficiency-in-flexible-thermoelectric-generator/
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