«Преобразование тепла в электричество», освоение энергетического клада
Команда академика Чэнь Лидуна из Китайской академии наук добилась прорыва в области термоэлектрических материалов, эффективно преобразуя отработанное тепло в электроэнергию, что открывает новые пути для обеспечения энергетической безопасности и низкоуглеродного зелёного развития.
Короткое резюме
Китайская программа «15-й пятилетний план» подчёркивает необходимость построения чистой низкоуглеродной энергетической системы. Термоэлектрическая технология как один из ключевых путей привлекает внимание. Более 60% первичной энергии в мире теряется в виде отработанного тепла, а технология термоэлектрического преобразования способна преобразовывать повсеместно встречающуюся разность температур (например, промышленное отработанное тепло, выхлопные газы автомобилей) в чистую электроэнергию и считается ещё не освоенным «энергетическим месторождением».
Ключевым аспектом термоэлектрического преобразования являются материалы. Идеальные термоэлектрические материалы должны одновременно обладать высокой электропроводностью, низкой теплопроводностью и термоЭДС, но природные материалы с трудом удовлетворяют этим требованиям. Команда Чэнь Лидуна более 20 лет занимается исследованиями и сосредоточена на материалах с заполнением кубической структуры карбида, внедряя различные атомы (например, барий, лантан) в кристаллическую решётку, напоминающую клетку, для формирования высокоэффективной «сети рассеяния фононов», значительно снижая теплопроводность при сохранении электропередающих свойств, и добилась прорыва в переходе от однократного к совместному заполнению. В 2011 году разработанный командой мультизаполненный карбидный материал достиг мирового лидерства по термоэлектрическим характеристикам.
Чтобы преобразовать лабораторные материалы в практические устройства, команда применила технологию «плазменного спекания при разряде», решив проблему несовпадения теплового расширения термоэлектрических материалов и металлических электродов, и использовала многоуровневый градиентный дизайн электродов для смягчения термического напряжения. В настоящее время эффективность преобразования термоэлектрических устройств повысилась с менее чем 6 % до почти 15 %, и в будущем они могут быть применены для рекуперации промышленного отработанного тепла, повышения энергоэффективности автомобилей, источников питания для исследования глубокого космоса и отвода тепла от чипов. Чэнь Лидун отмечает, что стоимость материалов, эффективность системной интеграции и долгосрочная надёжность всё ещё требуют оптимизации для коммерциализации, а искусственный интеллект поможет разработать больше сценариев применения.
Масштабная трата энергии в мире
Более 60 % первичной энергии в глобальном масштабе теряется в виде отработанного тепла, существует большое количество неразработанных ресурсов отработанного тепла
Прорыв в материалах с заполнением карбида
Команда Чэнь Лидуна, внедряя атомы в кристаллическую решётку карбида, создаёт «сеть рассеяния фононов», значительно снижая теплопроводность при сохранении электрических свойств, достигая мирового лидерства в термоэлектрических характеристиках
Инженерные решения на границе раздела решают проблемы отказа
Применение технологии «плазменного спекания при разряде» и многоуровневого градиентного дизайна электродов решает проблему растрескивания из-за различий в коэффициентах теплового расширения между термоэлектрическими материалами и металлическими электродами
Значительное повышение эффективности преобразования
Эффективность преобразования термоэлектрических устройств увеличилась с менее чем 6 % до почти 15 %, что открывает возможности для рекуперации промышленного отработанного тепла и повышения энергоэффективности транспорта
Текст сгенерирован с использованием ИИ
