Termoelektriska material omvandlar värme till elektricitet eller vice versa. Dock, deras tillämpning för att skörda spillvärme begränsas av utmaningar inom tillverkning och material. Att hitta kostnadseffektiva sätt att täcka stora och potentiellt komplexa ytor har förblivit ett problem men är avgörande för att dra nytta av spillvärmekällor.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) materialforskare har använt en additiv tillverkningsteknik, kallad kallsprayavsättning, att skapa termoelektriska generatorer som kan skörda spillvärme från tidigare otillgängliga källor, såsom rör med komplexa geometrier. Generatorerna visar bra prestanda över ett brett temperaturområde.

Spillvärme är en enorm outnyttjad resurs. Tretton kvadrilljoner BTU energi förloras årligen genom spillvärme av amerikansk industri. En BTU, eller British Thermal Unit, är en måttenhet för energi; 3, 600 BTU motsvarar cirka 1 kilowattimme.

Men bara tre fyrhjulingar av BTU återvinns och sätts i arbete genom samlokalisering av processer, energiåtervinning genom pannor och termoelektrisk återvinning. En utmaning i att skörda energin är att ta fram en generator som effektivt kan skörda värmen. För att ett termoelektriskt material ska vara effektivt måste det omvandla temperaturgradienten till spänning. Det kräver också hög elektrisk ledningsförmåga, men låg värmeledningsförmåga.

I den nya forskningen, dyker upp i Journal of The Minerals, Metals &Materials Society ( JOM ), teamet kallsprutade ett vismut-telluridpulver på substrat allt från rostfritt stål till aluminiumsilikat och kvarts. Det sprutade materialet hade en slumpmässigt orienterad mikrostruktur i stort sett fri från porer och kallsprayavsättningen uppnåddes utan väsentliga sammansättningsförändringar.

"Dessa resultat visar kraften och mångsidigheten hos tillverkning av kallspraytillsatser och ger en väg mot tillverkning av termoelektriska generatorer i komplexa geometrier som är otillgängliga för generatorer tillverkade med traditionella metoder, " sa LLNL materialfysiker Alex Baker, huvudförfattare till tidningen.

Kallsprutavsättning av beläggningar används i stor utsträckning inom industrin för korrosionsbeständiga beklädnader, ytfunktionalisering och lokaliserad reparation. I denna teknik, metallpartiklar i mikronskala innesluts i supersonisk gas och riktas mot en metallyta. Vid påverkan, partiklarna deformeras plastiskt och binder med ytan eller varandra.

Kallspray har vanligtvis begränsats till formbara material, vilket gör den väl lämpad för strukturella element och legeringar, men är inte väl utrustad för funktionella material, som vanligtvis är spröda. I samarbete med industripartnern TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL arbetar för att utöka utbudet av material som kan kallsprutas som en del av programmet Technology Commercialization Funds (TCF) som finansieras av Department of Energy.

"Kallspray fungerar vid jämförelsevis låga temperaturer, under smältpunkten för de flesta funktionella material, så det är attraktivt att överväga möjligheten av en additiv tillverkningsteknik som bevarar den skräddarsydda mikrostrukturen som driver funktionella egenskaper, " sa Baker.

Termoelektriska generatorer (TEG) har inga rörliga delar, är inte baserade på kemiska reaktioner och har lång livslängd utan underhållskrav, vilket gör dem till utmärkta kandidater för strömkällor på avlägsna eller otillgängliga platser. Hittills, antagandet av TEG för att skörda spillvärme har begränsats, delvis på grund av svårigheten att tillverka delar som kommer i intim termisk kontakt med kylflänsar eller utstrålas från överföringsrör.

Teamet drog slutsatsen att kallsprayavsättning kan tillverka bulkbitar av termoelektrisk vismuttellurid på en mängd olika substrat, utan förlust av strukturell integritet, demonstrerar att kallspray är ett lönsamt alternativ till traditionella tillverkningsmetoder för termoelektriska material.

"Ett av våra mål är att föra denna teknik till LLNL, där det kan tillämpas på ett brett spektrum av additiv tillverkningsfrågor, sa Harry Radousky, TCF:s huvudutredare.