Captura de electricidad con un módulo de termopar del mismo padre efectivo y confiable

Como una de las soluciones más prometedoras para mejorar la eficiencia de los combustibles fósiles y reducir la contaminación ambiental, la tecnología de generación de energía termoeléctrica (TE) tiene las ventajas de operación de estado sólido, operación sin partes móviles, mantenimiento gratuito y servicio extendido. Se han hecho esfuerzos significativos en las últimas décadas para mejorar el rendimiento de los materiales TE. También hay aleaciones excelentes como los compuestos IV-VI (por ejemplo, SnSe, GeTe y PbSe), skutteruditas y Cu₂se.

Estos avances sin precedentes en la mejora del rendimiento de los materiales TE son un paso importante para permitir la adopción generalizada de dispositivos TE. Sin embargo, el progreso en la tecnología de dispositivos TE ha sido más lento. Los esfuerzos actuales se centran principalmente en problemas de una sola pierna o unipar, como el diseño de electrodos, el blindaje de la capa de barrera y la optimización de la interfaz. Una sola pierna es muy útil para evaluar el potencial de un material TE en particular, pero aún está lejos de las aplicaciones prácticas.

Avanzando hacia las aplicaciones industriales, es necesario desarrollar módulos que consistan en materiales TE de tipo N y tipo P. Sin embargo, desarrollar módulos es más desafiante que producir una sola pata.

Se deben cubrir más temas en detalle, como el desarrollo de materiales TE de tipo n y tipo p coincidentes, la optimización de la geometría de las patas de TE, la soldadura y el ensamblaje de múltiples patas y la evaluación del rendimiento y la confiabilidad del módulo. Además, la mayoría de los componentes TE actualmente en uso o en estudio contienen elementos raros (por ejemplo, Te) o tóxicos (por ejemplo, Pb), lo que es un obstáculo potencial para las aplicaciones a gran escala.

En los últimos años, el Sr.₃Casarse₂Los compuestos de base han atraído mucho interés de la comunidad TE debido a su naturaleza no tóxica, abundancia de elementos constituyentes y excelente resistencia mecánica. Inspirado en la transición tipo p Mg₃Casarse₂ en Mg tipo n₃Casarse₂, la investigación posterior sobre este tipo de compuesto floreció. Se han logrado avances significativos en los últimos cinco años para mejorar la eficiencia de TE.

Este resultado hace que el Mg sea barato y respetuoso con el medio ambiente.₃Casarse₂compuestos basados ​​en sustitutos prometedores de aleaciones de última generación que contienen Te o Pb para la generación de energía de ET a temperatura media. Recientemente, esto ha despertado un intenso interés de investigación en el desarrollo de sus dispositivos.

A nivel de una sola pierna, se han realizado esfuerzos para la síntesis escalable de Mg tipo n₃Casarse₂, diseñando interfaces de conexión confiables y capas de barrera de blindaje. Un resultado notable es que se pueden lograr eficiencias de una sola rama de ~10 % con una diferencia de temperatura de 400 K a una temperatura de fuente de calor de 700 K, lo que indica un buen potencial para aplicaciones de generación de energía a temperatura media.

A nivel de un solo par o módulo, varios compuestos TE de tipo p como Bi₂Estos₃MgAgSb, Gete, CdSb y CoSb₃se usaron para emparejar con n-Mg₃Casarse₂. Los módulos hechos de varias combinaciones de materiales brindan un rendimiento excepcional de generación de energía en el rango de temperatura baja y media.

Sin embargo, se puede ver que todos estos módulos se fabrican con diferentes compuestos de TE de tipo nip originales. Debido a los diferentes TE y propiedades químicas de estas aleaciones de tipo nip, se necesita un diseño de geometría de dispositivo engorroso y una selección individual de capas de barrera apropiadas.

Más importante aún, los módulos TE de generación de energía generalmente operan bajo gradientes de temperatura altos (por ejemplo, 300-500 K para aplicaciones de generación de energía de temperatura media) y variaciones de temperatura, por lo que las variaciones en las características físicas de los materiales TE de nip, como el coeficiente de expansión térmica, causarán altas tensiones térmicas que pueden conducir fácilmente a la falla del dispositivo durante la operación.

Además, las diferencias en el punto de fusión y la maquinabilidad de los diferentes materiales de nip TE imponen restricciones adicionales en el proceso de soldadura y ensamblaje.

Por lo tanto, existe un fuerte deseo de desarrollar módulos TE eficientes y robustos utilizando los mismos compuestos TE originales, de modo que la combinación perfecta de propiedades del material facilite la fabricación del módulo y garantice un rendimiento estable a largo plazo. Esto ha sido bien demostrado en aplicaciones de la vida real, por ejemplo, en Bi disponible comercialmente.₂Estos₃ módulos, módulos PbTe y módulos SiGe utilizados por la NASA en la exploración espacial que están hechos de los mismos materiales originales ni p TE.

En respuesta a este desafío, el equipo de investigación de TE dirigido por los profesores Wan Jiang y Lianjun Wang de la Universidad de Donghua (DHU) y el Dr. Qihao Zhang del Instituto Leibniz para la Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresden (IFW Dresden) desarrolló nuevos módulos de TE que consisten en Mg tipo n y tipo p₃Casarse₂pies básicos.

El mismo padre de tipo p de Mg de tipo n₃Casarse₂Los gránulos a base se fabrican mediante aleación mecánica y sinterización por plasma de chispa. Estos dos compuestos exhiben propiedades mecánicas y TE bien combinadas debido a su estructura cristalina análoga y composición química similar.

Las simulaciones de elementos finitos confirman que la proporción óptima del área de la sección transversal de las patas para lograr la máxima eficiencia de conversión es de alrededor de 1,0, lo que es beneficioso para el ensamblaje del módulo. Los cálculos de acoplamiento termomecánico muestran que las tensiones térmicas causadas por la diferencia de expansión térmica entre los elementos TE del pasador se minimizan. El hierro se utiliza como una capa de barrera de difusión para las piernas de tipo n y tipo p.

Se utiliza un proceso de sinterización de un solo paso para producir los enlaces TE, lo que permite un enlace fuerte con una resistividad de contacto interfacial baja. Además, todo Mg₃Casarse₂Los módulos TE basados ​​en la tecnología TE se fabrican mediante el desarrollo de un nuevo proceso de unión que utiliza pastas compuestas Ag que permite un ensamblaje a baja temperatura que puede soportar temperaturas de funcionamiento más altas.

Todos estos esfuerzos dan como resultado Mg₃Casarse₂basado en un módulo de alta eficiencia del 7,5% para la captación de energía eléctrica a una temperatura de fuente de calor de 673 K y una excepcional fiabilidad del módulo para termociclado. Estos resultados ilustran con éxito el enorme potencial de desarrollo de todos los Mg₃Casarse₂sistemas basados ​​en módulos para generar electricidad de manera eficiente a partir de calor residual de bajo grado pero extremadamente abundante.

Los resultados de la investigación se publican en la revista Revista Nacional de Ciencias.