研究

3D打印热电墨水将汽车排气管变成发电机

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来自美国的一个研究小组蔚山国家科学技术研究所(Unist)在韩国开发了一种能够使用3D印刷产生发电管的热电墨水。

由铅(PB)和碲(TE)组成,发电管可以构成高性能热电发电机的基础,能够从工业或汽车废气中从废热产生电力。

研究人员认为,他们的开发为提高燃料能源效率提供了一种有希望的方法,并利用3D打印技术克服传统热电材料制造方法带来的挑战,如设计灵活性有限。

UNIST材料科学与工程系的Jae Sung Son教授说:“通过这项研究,我们将能够有效地将工厂烟囱(最常见的废热源)产生的热量转化为电能。”。

A)整个测量设置和B) TEG安装有冷却器并连接到测量电子设备。通过单个图像。
a)整个测量设置和b)安装有冷却器并连接到测量电子器件的TEG。通过单个图像。

热电技术的兴起

由于全球人口增加以及发展中国家的生活水平的改善,近次全球能源需求显着增加。根据研究论文,通过化石燃料来源,超过80%的全球能源消耗使得大自然和人工设置产生的热能超过一半的热能被淘汰进入周围环境。

为了解决这一点,热电发电可以为废热回收提供可靠和更环保的方法。研究人员表示,热电模块应专为各个系统而设计,以实现高效的传热,同时具有简单的系统和低处理成本。然而,典型的制造工艺以生产这些模块不满足这些要求,特别是对于排气管。

这种实现导致了联合团队转向3D打印,它们成功设计和生产的高性能发电热电管,可用于与不同的热系统集成并允许地热调整。

实现PBTE热电油墨掺杂粘弹性的方法。通过单个图像。
实现PBTE热电油墨掺杂粘弹性的方法。通过单个图像。

3D打印热电发电机

在他们的研究中,UNIST团队利用基于挤出的PbTe材料3D打印工艺,设计了一种带有定制PbTe“支腿”的发电热电管。然后,他们开发了一种具有粘弹性的无杂质PbTe墨水,使其适合3D打印,并通过“电子掺杂”在墨水中的粒子中产生强大的表面电荷。

研究人员将PbTe墨水3D打印成管状,然后组装成一个自我维持的热电管。据研究人员称,PbTe材料具有竞争性的热电性能和印刷适性,使得自由形式3D印刷热电模块的设计超越了传统结构的限制。

这些管子在400到800摄氏度的温度下表现出很高的热电性能,这是汽车废气的温度范围。这种管状结构也使得热电发生器比传统的长方体更有效地收集热量。

该团队声称,3D打印的热电管因此可以直接用作热流体流动的排气管,并形成轻型、简单的热电发电机系统骨架型设计的基础。据说设计提供了“热传递最有效的手段”从高温流体流过管热电发电机,因为没有耐热层流体和热电之间的“腿”,如陶瓷基片在传统热电发生器由黑色合金。

该团队认为,他们的方法提供了高性能可定制的热电模块的经济高效处理提供了很大的潜力,并且为了将技术改造,该技术将克服由废气引起的腐蚀问题。用于热电材料的防腐涂层技术的开发将有助于否定这个问题,并且在这一领域已经开始工作。

“如果将3D打印技术用于热电材料的生产,将能够克服传统材料的局限性,”UNIST材料科学与工程系教授韩基彩(音译)表示。“为3D打印材料提供粘弹性特性的新技术将用于其他各个领域。”

进一步的信息可以在以下研究中找到:“掺杂诱导的PBTE热电油墨中的粘弹性用于发电管的3D印刷”,“发表在《先进能源材料》杂志上。该研究由J. Lee、S. Choo、H. Ju、J. Hong、S. Eun Yang、F. Kim、D. Hwi Gu、J. Jang、G. Kim、S. Ahn、J. Eun Lee、S. You Kim、H. Gi Chae和J. Sung Son共同撰写。

3D打印发电TE管。通过单个图像。
3D打印发电TE管。通过单个图像。

利用3D打印技术提高电力效率

3D打印技术在其他地方也被用来调节和提高一系列工业组件的热效率和电效率。

比如陶瓷专家Ceramtec.已经测试了其新型电动聚焦功率半导体模块的冷却能力,该模块是与弗劳恩霍夫IISB,设计为热调节EVS的驱动器逆变器.据报道,该模块的热阻是传统热管理系统的两倍,同时展示了增加的传热表面。

同时,,三维系统被航空航天公司选中雷神科技陆军研究实验室的CCDC开发拓扑优化热交换器通过增材制造为美国军队提供。合作伙伴将设计、制造和优化一个组件,以最大限度地提高各种军队现代化产品的冷却和系统性能。

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特色的图像显示A)整个测量设置和B) TEG安装有冷却器并连接到测量电子设备。通过单个图像。