热电发电的效率取决于热电材料的三个重要特征:
首先,插头的泰勒系数(材料在温差条件下产生电动势的能力)。插头泰勒系数越高,在相同温度差下产生的电动势越高,这意味着可以释放出更多的电能。
第二,电导率(材料的电导率)。电导率越高,电子越容易在材料内部扩散。
第三,热导率(材料的热导率),热导率越高,热量从热端传递到冷端的速度就越快,从而使热电发电所依赖的温差消失,并且电动势也消失了。。
显然,对于热电材料,前两种能力越强越好,而后一种能力越弱越好。
热电品质因数是这三个参数的集合:泰勒系数越高,电导率越高,而热导率越低,则热电发电材料的价值越高,效率越高。
因此,热电材料研究的关键是如何提高材料的价值,即在获得低热导率的同时,实现高的插头泰勒系数和电导率。
但是,很难同时优化这三个参数。因为这三个特性是相互关联的,所以一种特性的改善通常会伴随着另一种甚至两种特性的减弱。
通常情况下,增加材料的插头泰勒系数会降低其电导率。这三个参数之间的相关性使得热电材料的发展缓慢。
但是,“全损全富”这三个参数之间的关系不是绝对的。
该“关注社区”也具有“叛逆者”热导率,更确切地说,是热导率的一部分。材料的导热系数由两部分组成,即电子导热系数和声子导热系数。
其中,前者与电导率密切相关,并且是“关注社区”的成员。但是声子的导热系数是决定热电材料性能的各种参数之一,是唯一不影响该值中所有其他参数的参数。参数。
维也纳大学团队的研究思想是通过降低声子的导热率来降低整体导热率,而不影响材料的电子导热率。
对于材料的微观水平而言,这是为了增强声子通过某些特殊结构的散射而不会影响电子传输,从而仅降低材料的声子热导率而不会更改其他参数。
他们从2013年开始,经过多年的研究,他们发现了一种既可以实现高电子导热率又可以实现低声子导热率的材料。
用一层由铁,钒,钨和铝组成的合金材料覆盖硅晶体,可以达到高达5到6的值,这是当前最佳水平的两倍。
通常情况下,这种由铁,钒,铝和钨组成的合金具有非常规则的结构。例如,钒原子旁边必须只有铁原子,并且铝原子相同,并且同一元素的两个相邻元素原子之间的距离始终相同。
但是,当科学家将这种材料的薄层与硅基板结合在一起时,发生了神奇的事情。
尽管这些原子仍然保持原始的立方结构,但原子的相互位置已发生了巨大变化。
曾经是钒原子出现的地方,但现在可能变成了铁原子或铝原子。虽然铝原子原本应该是铁原子,但现在可能仍然是铝原子,甚至是钒原子。
而且,每个原子位置的变化是完全随机的,没有规则可循。
有序和无序的这种组合赋予材料独特的特性:
电子仍然可以有自己的特殊路径,在晶体中“自由地”穿梭,从而不影响电导率和电子热导率。但是依赖于热传导的声子迁移受到不规则结构的阻碍,从而导致声子热传导率显着下降。
这样,可以维持热端和冷端之间的温差,并且所产生的电势差不会消失。
维也纳大学的团队还实现了梦以求的目标,即保持热电材料的恒定电子热导率和降低声子热导率,从而将其值大大提高到6。
在他们的理论中,如果可以更改相关概念性材料的拓扑结构,那么达到20的值将不再是梦想。
当该值达到6时,热效率将达到约12%。如果将该值增加到20,则热效率可以与蒸汽轮机相同。
与蒸汽轮机相比,热电发电设备的结构极为简单,例如上述的同位素电池,即热电发电电池。
但是,就材料科学而言,凌一风不如正统的黎翔好。他迅速将研究课题发送给材料研究所,并要求材料研究所开发一种热电材料,其价值约为20。
对于具有原子级处理功能的星际 ,复制维也纳大学团队的结果非常简单,当然前提是对方没有进行欺诈。
尽管离子引擎研究所和材料研究所对凌一风突然承认的任务感到非常惊讶,但大老板的业务是头等大事,他们急忙召集精锐士兵来解决这个问题。
丘吉市离子发动机研究所。
“首席考伯,看看这个。”邹文豪将文档发送到考伯特。
考伯特急忙打开了全息手镯,但第一层的“最高机密”一词令人震惊。他来离子引擎研究所工作了半年多,与他接触的大部分文件都归为机密。
“不用担心,如果我向你展示它,我相信你,但是请记住对它保密。”邹文豪拍了拍考伯特并说。
“非常感谢你。”这种信任感极大地影响了考伯特。他迅速打开文件并仔细浏览。
但是当他看到它时,他有点傻眼了:“可以控制,核聚变!”
我越看他,他就越发抖。这是一种敬畏,钦佩和激动的感觉。
考伯特兴奋地说:“桑董事长希望我们开发基于小型核聚变反应堆的离子发动机或光子发动机。”
“确实,考伯,你认为我们的研究所可以开发出符合期望的离子发动机吗?”邹文豪问。
“没问题。现在最难的部分已经完成。如果我们不能开发大型离子发动机,那么我们就没有资格待在这里。”考伯特很快就说。
“在这种情况下,让我们开始准备!”
“核聚变反应堆什么时候到达?”
“下午运输到这里。”
“然后我会召集研究人员。”
邹文豪安排了实验室并准备接收三个小型核聚变反应堆,而考伯特则动员了离子发动机研究所的精英们为相关工作做准备。
下午两点还没到。
3月的丘吉城市目前仍然有点冷,但是午后的阳光使人们感到非常舒适。