3D打印智能半导体材料可将废热转化为电能 | 智能能源

发布日期:2019-07-12 10:00
在英国斯旺西大学的办公室,副教授Matthew Carnie对塔塔钢铁公司的炉膛有着良好的认识。对一些人来说,在塔尔伯特港上空的那些烟囱是不雅观的。对卡尼来说,他们是一个机会。根据他的计算,他们排放了工厂废热的很大一部分,这些废热总体上具有与一些核电厂相同的功率输出,Carnie表示大约1300兆瓦。


由SPECIFIC研究团队开发的用于热电的新型3D打印技术

Carnie和他的研究团队开发出一种混合的3D打印人工智能半导体材料,可将废热转化为电能。它比其他廉价的半导体材料,碲化铅,丝网印刷的效率提高了50%,并且新材料可以廉价地组装到一个可以在任何地方转换高达10%的热量的设备中。

“理想情况下,它们可以部署在存在高等级废热的区域,并用于发电以帮助提高能效,”Carnie说。他说,英国工业所用能源的六分之一作为废热涌入大气,可能性很大。

Carnie在印刷光伏领域拥有丰富的专业知识,最近一直在探索热电领域。当热电子从一种加热材料流到另一种相对较冷的材料时,半导体和电导体之类的材料会产生电压。迄今为止,最有效的半导体材料是锡硒化物,由锡和硒制成。尽管它具有废热转换效率的记录,但它还没有被制成商业设备。

为了解决这个问题,Carnie需要适当的钻机,可以用等离子烧结材料或在高压和超过几百开尔文的温度下压制它们。那些机器不在他部门的预算中。

Carnie想知道他是否可以将他所知道的一些从印刷光伏材料转移到热电材料上。他问团队成员和博士后研究员Matthew Burton,他们是否可以将锡硒化物变成墨水。之前没有人这么做过,而伯顿则持怀疑态度。但他通过将锡和硒粉与有机粘合剂和水混合来实现。

然后伯顿将墨水倒入每边约10毫米的微小立方体形状的模具中,并在120摄氏度的烘箱中烘干。最后,他将超过800度的立方体烘烤,烧掉有机粘合剂。

Carnie说,第一批结果的效率测量很有希望。在热电装置领域,效率通过称为“品质因数”的数字来测量,称为ZT。超过1 ZT的任何东西都被认为是非常有希望的。Burton的第一批立方体在.5 ZT左右进行了测试。在调整了粘合剂的量和锡与硒的比例后,Burton能够达到1.7 ZT。

“这是以这种方式制造的热电材料的记录,”卡尼说。

卡尼说,需要进行更多的研究。对于初学者来说,他们只需要两种不同的半导体材料中的一种保持热电子的类型。它们仍然需要制造电子流到的“冷却器”一侧。今年秋天,塔塔钢铁公司正在赞助一名博士生帮助开发第二部分,最终这两种材料将被夹在陶瓷片之间以制造热电器件。

Carnie表示,钢铁厂最终是否采用这样的系统将取决于成本。但他很有希望。他说,室温油墨混合起来很便宜,如果他们可以将油墨移到基于喷嘴的系统并用连续的制造方法进行打印,那将是一个显着的改进。