EPOCH TIMES: Новый аккумулятор позволяет преобразовывать отходящее тепло в электроэнергию

Целью большинства таких проектов было создание термоэлектрических устройств, которые изготавливались из полупроводниковых материалов, способных производить электричество за счёт перепада температур. Но эффективность таких устройств была ограничена из-за низкой доступности необходимых материалов.

Теперь же учёные нашли новый, альтернативный способ преобразования низкотемпературного сбросного тепла в электричество, при использовании которого разница температур составляет менее 100 °C. Этот метод был описан в журнале Nature Communications.

«В результате работы практически всех электростанций и почти любых промышленных предприятий, например сталелитейных или нефтеперерабатывающих, выбрасывается огромное количество низкопотенциального тепла, которое охлаждается до температуры окружающего воздуха, – отмечает один из исследователей Ли Цуй (Yi Cui), доцент в области материаловедения и машиностроения Стэнфордского университета. – Наша новая технология аккумуляторных батарей позволяет использовать этот перепад температур в промышленных масштабах».

Электрическое напряжение и температура

Новая система основана на принципе термогальванического эффекта, который проявляется в том, что напряжение аккумуляторной батареи зависит от температуры. «Чтобы использовать потенциал тепловой энергии, мы подвергаем батарею четырёхступенчатой процедуре: нагревание, зарядка, охлаждение и разрядка», – говорит Сок У Ли (Seok Woo Lee), который продолжает научную работу в Стэнфордском университете после защиты докторской диссертации и является одним из ведущих авторов исследования.

Сначала разряженный аккумулятор нагревают за счёт отходящего тепла. Затем, пока аккумулятор не остыл, к нему подводят напряжение. Как только аккумулятор заряжается до конца, его охлаждают. Благодаря термогальваническому эффекту по мере снижения температуры электрическое напряжение растёт. После того как аккумулятор остыл, он получает заряд электричества, превышающий тот, который был использован для его зарядки. Но, по словам Ли Цуя, эта дополнительная энергия не возникает из ниоткуда. Она образуется из тепла, поступившего в систему.

Цель системы – использование тепла температурой менее 100 °C. Именно оно составляет основную часть потерянного тепла, энергию которого можно использовать. «Одна треть всей потребляемой энергии в США в конечном итоге превращается в низкопотенциальное тепло», – говорит один из ведущих авторов проекта Юан Лян (Yuan Yang), который после защиты докторской диссертации продолжает исследовательскую работу в Массачусетском технологическом институте.

В ходе эксперимента аккумулятор нагрели до 60 °C, зарядили и дали ему остыть. В результате КПД преобразования электроэнергии составил 5,7%, что почти вдвое выше КПД обычных термоэлектрических устройств. «Метод, заключающийся в последовательном нагревании, зарядке и охлаждении, был впервые предложен в 1950-е годы и предполагал использование температур не ниже 500 °C», – поясняет Юан Лян, отмечая, что большинство систем рекуперации тепла наиболее эффективны при более значительной разнице температур.

«Основное усовершенствование связано с используемым материалом, который раньше не был доступен для изготовления электродов аккумуляторов. Кроме того, есть успехи и в проектировании системы», – говорит один из авторов исследования Ган Чен (Gang Chen), профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

«Дополнительное преимущество этой технологии заключается в том, что она позволяет использовать недорогие, широко распространённые материалы и промышленные процессы, которые уже вовсю применяются в производстве аккумуляторов», – добавляет Ли.

Умное решение

По словам профессора Чена, новая система значительно превосходит обычные термоэлектрические устройства с точки зрения эффективности преобразования энергии, но её удельная мощность (то есть отношение вырабатываемой мощности к массе) намного ниже. Также потребуются дополнительные исследования, чтобы обеспечить надёжную работу системы в течение длительного времени и повысить скорость зарядки и разрядки аккумулятора.

«Нам предстоит проделать большую работу, прежде чем мы сможем перейти на следующий этап», – добавляет он. «На сегодняшний день не существует эффективной технологии использования сравнительно небольших перепадов температур, под которые приспособлена эта система, – говорит Чен. – Её КПД, на наш взгляд, весьма высок. В мире вырабатывается огромное количество низкотемпературного отработанного тепла. Осталось только создать и внедрить технологию, которая бы позволила это тепло использовать».

«Результаты очень многообещающие, – говорит Пэнтон Лян (Peidong Yang), профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, не принимавший непосредственного участия в исследовании. – Изучив возможности термогальванического эффекта, учёные смогли преобразовать низкопотенциальное тепло в электрическую энергию с приличным КПД. Умное решение, ведь сбросное тепло есть везде».

Помимо названных учёных в число авторов исследования входят Хён Ук Ли (Hyun-Wook Lee) из Стэндфордского университета, а также Хади Гасеми (Hadi Ghasemi) и Дэниел Крэмер (Daniel Kraemer) из Массачусетского технологического института. Исследование проведено при содействии Министерства энергетики США, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Национального исследовательского фонда Кореи. В Массачусетском технологическом институте проект реализовывался при поддержке Министерства энергетики и при участии Центра полупроводникового преобразования солнечной энергии в тепловую (Solid-State Solar-Thermal Energy Conversion Center).