韩国蔚山国立科学技术研究院(UNIST) 的一个研究小组开发了一种热电墨水,能够使用 3D 打印生产发电管。


由铅 (Pb) 和碲 (Te) 组成的发电管可以构成高性能热电发电机的基础,该发电机能够利用工业或汽车尾气的废热发电。


研究人员认为,他们的开发提供了一种提高燃料能源效率的有效方法,并利用 3D 打印作为克服与制造热电材料的传统方法相关的挑战的一种手段。


通过这项研究,我们将能够有效地将工厂烟囱产生的热量(最常见的废热源类型)转化为电能。


由于全球人口的增加和发展中国家生活水平的提高,全球能源需求近来显着增加。目前全球 80% 以上的能源消耗来自化石燃料,而自然和人为环境产生的热能有一半以上只是散失到周围环境中。


排气管变成发电机,用汽车尾气能发电,全球变暖彻底解决


为了解决这个问题,热电发电可以为废热回收提供一种可靠且更环保的方法。研究人员说,热电模块应该专门为单个系统设计,以实现高效的热传递,同时具有简单的系统和低处理成本。然而,生产此类模块的典型制造工艺不能满足这些要求,尤其是排气管。


这一认识促使 UNIST 团队转向 3D 打印,在此基础上,他们成功设计和生产了高性能发电热电管,可定制以与不同的热系统集成并允许进行地热调整。


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3D打印热电发电机


在他们的研究中,UNIST 团队利用基于挤压的 PbTe 材料 3D 打印工艺设计了一种带有定制 PbTe“腿”的发电热电管。他们开发了一种具有粘弹性的无杂质 PbTe 墨水,使其适用于 3D 打印,并通过“电子掺杂”在墨水中的颗粒中产生强表面电荷。


研究人员将 PbTe 墨水 3D 打印成管状形状,然后将其组装成自我维持的发电热电管。据研究人员介绍,PbTe 材料具有竞争力的热电性能和可印刷性,使自由形式的 3D 打印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。管形状还使热电发电机比传统的长方体类型更有效地收集热量。


因此,该团队声称,3D 打印的热电管可以直接用作热流体流过的排气管,并构成轻型、简单的热电发电机系统的骨架式设计的基础。据报道,该设计提供了从高温流体流经管子到热电发电机的“最有效的热传递方式”,因为在流体和热电“腿”之间没有热阻层,例如陶瓷基板由铁合金制成的传统热电发电机。


该团队认为,他们的方法为设计高性能可定制热电模块的成本效益处理提供了巨大的潜力,并且为了使该技术工业化,将寻求克服废气引起的腐蚀问题。热电材料防腐涂层技术的发展将有助于解决这个问题,并且这方面的工作已经在进行中。


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通过 3D 打印提高能效


3D 打印技术也已在其他地方得到利用,以调节和提高一系列工业部件的热效率和电气效率。


例如,陶瓷专家CeramTec测试了其与Fraunhofer IISB合作开发的以电动汽车为重点的新型功率半导体模块的冷却能力,该模块旨在对电动汽车的驱动逆变器进行热调节。据报道,该模块具有两倍于传统热管理系统的热阻,同时展示了增加的传热表面。


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