技術從未開發的熱源中收集廢熱

熱電材料將熱量轉化為電能，反之亦然。然而，它們在收集廢熱中的應用受到制造和材料挑戰的限制。尋找具有成本效益的方法來覆蓋較大且可能復雜的表面仍然是一個問題，但對于利用余熱源而言至關重要。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的材料科學家已經使用了一種稱為冷噴涂沉積的增材制造技術來制造熱電發生器，該熱電發生器可以從以前難以獲得的來源(例如具有復雜幾何形狀的管道)中收集廢熱。發電機在很寬的溫度范圍內都顯示出良好的性能。

余熱是巨大的未開發資源。美國工業每年因廢熱而損失的能量達到13萬億BTU。BTU(英制熱量單位)是能量的計量單位。3,600 BTU相當于大約1千瓦時。

但是，只有三分之四的BTU可以通過過程共置，鍋爐的能量回收和熱電回收來回收并投入使用。收集能量的一個挑戰是設計一種能夠有效收集熱量的發電機。為了使熱電材料有效，必須將溫度梯度轉換為電壓。它還需要高電導率，但低熱導率。

在發表在《礦物，金屬與材料學會雜志》(JOM)上的這項新研究中，研究小組在不銹鋼，硅酸鋁和石英等基材上冷噴涂了碲化鉍粉末。噴涂的材料具有隨機取向的微觀結構，基本上沒有孔，并且無需大量的成分變化即可實現冷噴涂沉積。

LLNL材料物理學家Alex Baker說：“這些結果證明了冷噴涂增材制造的強大功能和多功能性，并提供了制造復雜幾何形狀的熱電發電機的途徑，而傳統方法無法制造這種復雜的發電機。”

涂層的冷噴涂沉積在整個行業中廣泛用于耐腐蝕覆層，表面功能化和局部修復。在這種技術中，微米級金屬顆粒被夾帶在超聲氣體中并被引導到金屬表面上。撞擊時，顆粒發生塑性變形并與表面或彼此粘合。

冷噴涂通常僅限于可延展材料，使其非常適合于結構元件和合金，但不適用于通常易碎的功能材料。LLNL與工業合作伙伴TTEC熱電技術公司合作，努力擴大可冷噴涂的材料范圍，這是能源部資助的技術商業化資金(TCF)計劃的一部分。

貝克說：“冷噴涂在相對較低的溫度下工作，低于大多數功能材料的熔點，因此考慮采用增材制造技術來保留定制的驅動功能特性的微結構是很有吸引力的。”

熱電發電機(TEG)沒有活動部件，不基于化學反應，并且使用壽命長，并且沒有維護要求，因此非常適合作為偏遠或無法到達位置的電源的候選人。迄今為止，采用TEG收集廢熱受到了限制，部分原因是難以制造與散熱片緊密接觸或從傳輸管輻射的零件。

研究小組得出結論，冷噴涂沉積可以在各種基板上制造大塊熱電碲化鉍，而不會損失結構完整性，這表明冷噴涂是傳統的熱電材料制造方法的可行替代品。

TCF首席研究員哈里·拉杜斯基(Harry Radousky)說：“我們的目標之一是將這項技術引入LLNL，可以在廣泛的增材制造領域中應用。”