A RENDEZETLENSÉGBEN REJLIK A TERMOELEKTROMOSSÁG KULCSA

A Nothwestern kutatói pár nátrium atom és stroncium-tellurid nanokristály integrálása révén, valamint néhány repedés hozzáadásával világrekorder hatásfokú termoelektromos anyagot hoztak létre.
Jools _
Jools _
2012. szept. 21. 12:45
A rendezetlenségben rejlik a termoelektromosság kulcsa

A laptop-tulajdonosok és az autószerelők egyaránt tisztában vannak vele, hogy bármiféle befektetett munka során jelentős mértékű mellékterméket jelent a keletkező hő. A hőerőművek esetében például csak a keletkező energia egyharmadából lesz elektromos áram, a többi egyszerűen a turbinák megforgatása nélkül elszivárog.

A fizikusok évtizedek óta próbálkoznak azzal, hogy a hőt közvetlenül elektromossággá alakítsák. Az úgynevezett termoelektromos anyagokban hőmérsékleti különbség hatására elektronáramlás indul be, így feszültség keletkezik, ami aztán különböző célokra felhasználható. A Curiosity marsjáró energiaellátását is egy ezen az elven működő radioizotópos termoelektromos generátor (RTG) biztosítja, ez a radioaktív izotópok természetes bomlásából származó hőt alakítja elektromos árammá. Az RTG-ket előszeretettel alkalmazzák a Naptól távolra küldött űrszondák energiával való ellátására, ha nincs elegendő fény a napelemekkel való energiatermelésre.

A termoelektromos eszközök azonban nem működnek elég magas hatásfokkal ahhoz, hogy széles körben használhatóak legyenek. A jelenlegi rendszerek mindössze a termelődő hő 5–7 százalékát alakítják át elektromossággá, így sokkal rosszabb hatásfokkal dolgoznak, mint például a kereskedelmi forgalomban kapható napelemek.

Galéria megnyitása

Hatékonyabb termoelektromos rendszerek megalkotásához olyan alapanyagokra van szükség, amelyek az áramot vezetik, a hőt viszont nem. Mercouri Kanatzidis, a Northwestern Egyetem vegyésze szerint a titok nyitja abban rejlik, hogy rendezetlenné kell tenni az anyagok szerkezetét. A kutató és kollégái az egyik legismertebb termoelektromos anyaggal, az ólom-telluriddal kezdték a munkát, amely normális esetben szabályos kristályrácsba rendeződik. A szakértők pár nátrium atomot adtak a struktúrához, hogy fokozzák annak vezetőképességét, majd stroncium-tellurid nanokristályokat integráltak a rácsszerkezetbe, amelyek szintén termoelektromos tulajdonságokkal bírnak. A nanokristályok nem akadályozták az elektronok szabad áramlását, viszont az általuk befolyásolt rövid szakaszokon megállították a hő terjedését.

A végső lépés hő terjedésének nagyobb léptékekben történő megállítása volt, ehhez az immár sokkal kevésbé rendezett termoelektromos kristály fizikai roncsolásába kezdtek. A keletkező repedéseken az elektronok át tudtak kelni, a hő viszont nem. Az anyag termoelektromos hatásfoka így 15 százalékra, tehát az eredeti duplájára nőtt. Kanatzidis szerint az általuk kifejlesztett anyag két-három éven belül készen állhat a használatra, és remélhetőleg a termoelektromos rendszerek szélesebb körben való elterjedéséhez vezethet. 

Hírlevél feliratkozás
A feliratkozással elfogadom a Felhasználási feltételeket és az Adatvédelmi nyilatkozatot.

9 hozzászólás

A komment írásához előbb jelentkezz be!
lorddiablo
lorddiablo
2012. szept. 24. 12:48
#9

Kedves exterminator!

A wikipédiás idézeted hülyeség. A Th meg a Tc az átlagra vonatkozik és nem a szélső helyzetekre. Ez a gyakorlatban rengeteget számít. Az idealizált körfolyamat is egy Otto-motoréhoz hasonlít, nem Carnothoz. Tegyük fel, hogy a környezeti hőmérséklet 300 K. Ahhoz, hogy elérd egy Carnot körfolyamattal a 40%-os hatásfokot, kell 500 K hőmérséklet átlagosan. De ennyit egy erőmű sem dob ki. Másrészt gyakorlatilag kivitelezhetetlen. Hogy a stirling motorod üzemeljen úgy, hogy egyik oldalon 500 K másik oldalon 300 K van, elég kicsi az esély. Valószínű, hogy valami fémből építed meg a motort, ami egyrészt vezeti a hőt, másrészt pedig van egy hőkapacitása is, ami miatt a rendelkezésre álló 200 K különbséget tuti nem fogod tudni kiaknázni. Mutass egy olyan valós, megépített stirling motort, ami mondjuk 2 órán át folyamatosan üzemelt úgy, hogy legalább 1 kW villamos teljesítményt szolgáltatott eközben. Ha van ilyen, akkor én vagyok a műveletlen, de ha nem, akkor előbb járj utána a dolgoknak, utána "jártasd a pofád". Természetesen beépített motorról beszélünk, nem arról, hogy kísérletileg valaki elért vele ennyit, mert az lehet. Az angol wikipédia 15-30%-okat emleget termikus hatásfokra, ami még mindig nem villamos hatásfok. Szóval hol találunk ilyet a világban, ahol ettől gazdaságosabb megoldás nincs? Értsd: lehet ilyet építeni, használni elsődleges áramtermelő szerkezetnek, azonban jobban megéri egy gázturbina, gázmotor, esetleg egy kisebb kombi ciklus.

exterminator
exterminator
2012. szept. 22. 16:17
#8

Miért lenne kicsi a hőkülönbség? :O pont ,hogy nagyoknál ér el ez is 15%-ot :D

exterminator
exterminator
2012. szept. 22. 16:15
#7

Kedves Lorddiablo! tessék wiki copy : Magas hőhatásfok [szerkesztés]

A Stirling körfolyamat hőhatásfoka megegyezik a Carnot körfolyamat hatásfokával, mely elméletileg a legjobb. A Carnot körfolyamat hatásfoka:

h = 1 - (Tc/Th)

ahol:

Th - A körfolyamat legmagasabb hőmérséklete

Tc - A körfolyamat legalacsonyabb hőmérséklete

Ez azt jelenti, hogy az elméleti hőhatásfok annál jobb, minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség. A Stirling motoroknál a 40%-os hatásfok is könnyen elérhető. Ne csak a pofád jártasd, tájékozódj is.

center82
center82
2012. szept. 22. 14:05
#6

Autónak a motorjában is lehetne, és besegítene az elektromos hajtásba.

Cannapeace
Cannapeace
2012. szept. 22. 0:45
#5

Max úgy tudom elképzelni a hóerőműves alkalmazást hogy lamellák állnak függőlegesen egymás mellet ebből az anyagból a tűztérben de úgy hogy az üzemi hőmérsékletet ne haladják meg a lamellák. De inkább föld hőjét kéne így hasznosítani ugyan is az nem szennyezi a levegőt és nem vezet üvegház hatáshoz meg savas esőhöz meg miegymás nem túl egészséges dologhoz.

lorddiablo
lorddiablo
2012. szept. 21. 21:43
#4

@Meteorhead:

Az erőművek túl tudnak lépni ezen az 1/3-on. Az atomerőművek rendelkeznek a legrosszabb hatásfokkal, de Paks is már 35% felett van. Gázmotorok 40% körül vannak. Gázturbinákból a csúcs 42.4%. Ezek persze még nem kapcsolt rendszerek. Ott van a kombi ciklusú erőmű (gőzturbina+gázturbina), az 60% fölötti villamos hatásfokkal rendelkezik. A hulladékhőt pedig hasznosítják, úgy hívják, hogy távhő. Ezt télen lehet nyilván kiaknázni, de mostanság már léteznek olyan megoldások is, ahol ezt a hőt abszorbciós hűtésre használják fel. Így ez hajtja nyáron a légkondit. Nyilván a villamosáram a legdrágább az összes termelt energiafajta közül, de ne felejtsünk azért el globálisan gondolkodni. Ha a kapcsoltat is figyelembe vesszük, akkor 85-90-95%-ok jönnek ki a rendszertől függően.

@exterminator:

Milyen világban van a Stirling motornak 40% hatásfoka? Mivel kicsi a hőmérséklet különbség a kilépő füstgáz és a levegő közt, amit ki lehet aknázni, ezért a Carnot-körfolyamat miatt ezek hatásfoka nagyon jó esetben 4%, de inkább 2-3. Hol olvastad a 40%-ot? Azok valószínű vagy ezzel kereskednek, vagy csak hülyék a termodinamikához. Egyik nem zárja ki a másikat.

@mikej95:

A turbinalapáton a hőmérséklet eloszlás eléggé homogén. Így nem lesz hőfeszültség, amit ki tudnál használni a célra. Ugyanígy a belső burkolat sem jó. Ha az egyik fele az anyagnak bent van, a másik kint, akkor már használhatóbb lenne a dolog, de kérdés, hogy megéri-e ezt kihasználni, nem dobsz ki több hőt azzal, hogy megbontod az egybefüggő szigetelőréteget.

Törölt felhasználó
Törölt felhasználó
2012. szept. 21. 19:45
#3

Ilyen anyagból készült turbinalapátok és belső burkolat jó nagyot dobna a hőerőművek hatásfokán. :)

exterminator
exterminator
2012. szept. 21. 15:21
#2

Stirling motor 40% hatásfokú, tökéletes alternatívája ennek. Bár nyilván nem olyan könnyen integrálható.

Meteorhead
Meteorhead
2012. szept. 21. 14:37
#1

Hát, ha túl tudnának lépni a hőerőművek 1/3-os hatásfokán, akkor lényegesen egyszerűbb erőműveket lehetne építeni, arról nem is beszélve, hogy újra lehetne hasznosítani a munka során elvesztett energiát.

Vissza az oldal tetejére