02/07/2019 - Die UPM beteiligt sich an der Gestaltung eines neuen thermoelektrischen Geräts zur Verbesserung der Umwandlung von Wärme in Elektrizität

Menéame

Direkt konvertieren Wärme in der Elektrizität Anwendung von Elektronenfluss das in einem Material erzeugt wird, wenn es einem Temperaturgradienten unterworfen wird, ist das Hauptziel derThermostrom, die jedoch erheblich eingeschränkt ist: die Verluste durch thermisches Fahren dieses Materials. Diese Verluste führen dazu, dass die Wärmeumwandlungseffizienzen unter 10% liegen.

Mit dem Ziel, diese Situation umzukehren und größere Effizienz zu erzielen, Institut für Solarenergie der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) und Zentrum für Energie und Wärmewissenschaften LyonSie haben ein neues Gerät vorgeschlagen, bei dem der Elektronenstrom durch die Emission von Photonen und Elektronen durch einen leeren Nanometerraum ersetzt wird. Auf diese Weise wird die Ausbreitung einer Art von Teilchen, die als "Gebärme" bezeichnet werden, unterbrochen, die die Hauptverursacher von Wärmeverlusten in den heutigen thermoelektrischen Geräten sind. Dieser neue Umwandlungsmechanismus wurde als "thermionic-enhanced near-field thermophhotovoltaics"und ermöglicht theoretisch einen erheblichen Anstieg sowohl der elektrischen Leistungsdichte als auch der Umwandlungseffizienz.

"Um Wärme in Elektrizität umzuwandeln, verwenden die heutigen Geräte den Elektronenfluss durch einen Festkörper, der sich durch einen thermischen Gradienten bewegt und schließlich eine Spannung erzeugt, die für die Stromerzeugung genutzt werden kann. Dies wird als thermoelektrische Wirkung bezeichnet und ist die Grundlage für viele Generatoren, die heute zur Stromerzeugung aus Restwärme oder in Raummissionen eingesetzt werden," erklärt Alexander Datas, Forscher am UPM Solar Energy Institute und Autor der kürzlich in der Zeitschrift Nano Energy veröffentlichten Studie. "Die derzeit größte Einschränkung des Thermostroms besteht darin, dass der Elektronenstrom mit dem Fluss von Phones konkurriert, die quasi vibrierende Partikel sind, die über das Kristallnetz des Materials übertragen werden. Die Phones transportieren einen großen Teil der Wärme und stellen den größten Teil der thermischen Verluste des Gerätes dar. Diese Verluste erklären, dass die Wärmeumwandlungseffizienz selten über 10% liegt," fügt er hinzu.

Wärme in Nanogrößen umleiten

Aber diese Verluste können beseitigt werden, wenn wir andere Mechanismen zur Übertragung und Umwandlung von Wärme in Elektrizität suchen. Ein heißes Material enthält Atome in konstanter Schwingung. Neben Phones erzeugen diese Schwingungen auch elektromagnetische Wellen. Einige dieser Wellen entkommen aus dem Material und wir wahrnehmen sie in Form von Licht oder elektromagnetischer Strahlung. Aber andere Wellen können nicht entkommen und sind in der Nähe ihrer Oberfläche eingeschlossen. Die Gesetze des Elektromagnetismus schreiben vor, dass die Intensität der elektromagnetischen Energie steigt, wenn wir nur ein paar hundert Nanometer entfernt (ein Tausendstel der Dicke eines Haares) von der Oberfläche eines heißen Materials platzieren. Dieser Effekt wird als "Tunneleffekt" bezeichnet und ermöglicht die Übertragung sehr vieler elektromagnetischer Energie ohne physische Berührung mit diesem Material. Der Schlüssel ist, dass diese minimale Entfernung ausreicht, um den Fluss von Phones zu unterbrechen und damit die damit verbundenen thermischen Verluste zu beseitigen. Die grundlegende Herausforderung besteht daher darin, wie diese große Menge an Oberflächen elektromagnetischer Energie effizient in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Die vorgeschlagene Regelung schlägt eine Lösung vor, die die thermischen und photovoltaischen Wirkungen kombiniert. "Es ist möglich, eine Solarzelle extrem nahe an der Oberfläche des heißen Materials zu legen, nur ein paar hundert Nanometer entfernt. Genauso wie eine Solarzelle Elektrizität mit Sonnenlicht erzeugt, wird diese Zelle Elektrizität aus der elektromagnetischen Strahlung erzeugen, die auf der Oberfläche des Materials gefunden wird. Aber da es sehr schwierig ist, ein Kabel zu platzieren, um die Elektrizität zu entfernen, ersetzen wir die Kabel durch die thermische Elektronenemission von der Oberfläche selbst," erklärt Alexander Datas. Auf diese Weise ermöglicht das Gerät nicht nur die Umwandlung von elektromagnetischen Wellen (oder Photonen), sondern auch von dieser Oberfläche emittierte Elektronen in Elektrizität. Die gleichzeitige Verwendung von Photonen und Elektronen stellt ein neues technologisches Paradigma im Bereich der direkten Umwandlung von Wärme in Elektrizität dar. "Die gleichzeitige Verwendung von Photonen und Elektronen als Wärmeförderer bei thermoelektrischen Umwandlungsprozessen bringt neue wissenschaftliche und technologische Herausforderungen mit sich, die in künftigen Forschungsarbeiten eingehender untersucht werden müssen," erklärt Alejandro Datas.

Dieses neue Instrument entsteht aus einer Zusammenarbeit zwischen zwei europäischen Projekten: AMADEUS, von der Europäischen Union finanziert, die vom Institut für Solarenergie der UPM koordiniert wird und sich auf die experimentelle Realisierung dieser Hybridgeräte über makroskopische Entfernungen und das französische Projekt konzentriert DEMO NFR TPV das Ziel verfolgt, eine Vorrichtung für die thermofotovoltaische Umwandlung im nahen Feld zu entwickeln.

"Die nächste Herausforderung besteht darin, die Ergebnisse dieser beiden Projekte zu koordinieren, um einen Hybridkonverter in der Nähe zu finden," erklären die Forscher.  

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Polytechnische Universität Madrid

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