Термоэлектрические устройства, которые могут генерировать энергию, когда одна сторона устройства имеет температуру, отличную от другой, стали предметом многочисленных исследований в последние годы. Теперь команда Массачусетского технологического института придумала новый способ преобразования колебаний температуры в электрическую энергию. Вместо одновременного ввода двух разных значений температуры новая система использует колебания температуры окружающей среды, возникающие в течение цикла день-ночь.
Новая система, называемая тепловым резонатором, может обеспечить непрерывную многолетнюю работу систем дистанционного зондирования, например, без необходимости использования других источников питания или батарей, говорят исследователи.
Выводы сообщаются в журнале Nature Communications, в статье аспиранта Антона Коттрилла, профессора химического машиностроения Carbon P. Dubbs Майкла Страно и семи других сотрудников кафедры химического машиностроения Массачусетского технологического института.
«Мы фактически придумали эту концепцию из цельного куска ткани», - говорит Страно. «Мы построили первый тепловой резонатор. Это то, что может стоять на столе и генерировать энергию из того, что кажется ничем. Мы все время окружены температурными колебаниями самых разных частот. Это неиспользованный источник энергии.."
В то время как уровни мощности, генерируемые новой системой, пока скромны, преимущество теплового резонатора заключается в том, что он не нуждается в прямом солнечном свете; он генерирует энергию от изменений температуры окружающей среды, даже в тени. Это означает, что на него не влияют кратковременные изменения облачного покрова, ветра или других условий окружающей среды, и он может быть расположен в любом удобном месте - даже под солнечной панелью, в вечной тени, где она может даже находиться. Исследователи говорят, что они более эффективны за счет отвода отработанного тепла.
По словам Коттрила, тепловой резонатор превосходит коммерческий пироэлектрический материал того же размера - признанный метод преобразования колебаний температуры в электричество - более чем в три раза по мощности на единицу площади.
Исследователи поняли, что для производства энергии из температурных циклов им нужен материал, оптимизированный для малоизвестной характеристики, называемой термической эффузивностью - свойством, которое описывает, насколько легко материал может поглощать тепло из окружающей среды или выделять его.. Тепловая эффузивность сочетает в себе свойства теплопроводности (насколько быстро тепло может распространяться через материал) и теплоемкости (сколько тепла может храниться в данном объеме материала). В большинстве материалов, если одно из этих свойств высокое, другое имеет тенденцию к снижению. Керамика, например, обладает высокой теплоемкостью, но низкой теплопроводностью.
Чтобы обойти это, команда создала тщательно подобранную комбинацию материалов. Базовая структура представляет собой металлическую пену из меди или никеля, которая затем покрывается слоем графена для обеспечения еще большей теплопроводности. Затем пена пропитывается своего рода воском, называемым октадеканом, материалом с фазовым переходом, который переходит из твердого состояния в жидкое в определенном диапазоне температур, выбранном для данного применения..
Образец материала, сделанный для проверки концепции, показал, что просто в ответ на разницу температур днем и ночью в 10 градусов по Цельсию крошечный образец материала произвел 350 мВ потенциала и 1,3 мВт мощности. - достаточно для питания простых небольших датчиков окружающей среды или систем связи.
«Материал с фазовым переходом накапливает тепло, - говорит Коттрилл, ведущий автор исследования, - а графен обеспечивает очень быструю проводимость», когда приходит время использовать это тепло для производства электрического тока.
По сути, объясняет Страно, одна сторона устройства улавливает тепло, которое затем медленно излучается на другую сторону. Одна сторона всегда отстает от другой, поскольку система пытается достичь равновесия. Эта вечная разница между двумя сторонами затем может быть получена с помощью обычных термоэлектриков. Сочетание трех материалов - металлической пены, графена и октадекана - делает его «материалом с самой высокой температурной эффузивностью в литературе на сегодняшний день», - говорит Страно..
В то время как первоначальное тестирование проводилось с использованием 24-часового ежедневного цикла температуры окружающего воздуха, настройка свойств материала может позволить собирать другие виды температурных циклов, такие как тепло от включения и выключения. -отключение двигателей в холодильнике или машин на промышленных предприятиях.
«Нас окружают перепады и колебания температуры, но они не очень хорошо проявляются в окружающей среде», - говорит Страно. Отчасти это связано с тем, что не было известного способа их использовать.
Были использованы и другие подходы, чтобы попытаться получить энергию от тепловых циклов, например, с помощью пироэлектрических устройств, но новая система является первой, которую можно настроить для реагирования на определенные периоды колебаний температуры, такие как суточные колебания температуры. цикла, говорят исследователи.
Эти колебания температуры являются «неиспользованной энергией», говорит Коттрилл, и могут быть дополнительным источником энергии в гибридной системе, которая, комбинируя несколько путей для производства энергии, могла бы продолжать работать, даже если отдельные компоненты вышли из строя. Исследование частично финансировалось за счет гранта Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии, который надеется использовать систему в качестве способа питания сетей датчиков, которые контролируют условия, например, на нефтяных и газовых буровых месторождениях.
«Им нужны ортогональные источники энергии», - говорит Коттрилл, - то есть такие, которые полностью независимы друг от друга, такие как генераторы на ископаемом топливе, солнечные панели и это новое силовое устройство с тепловым циклом. Таким образом, «если одна часть выйдет из строя», например, если солнечные панели останутся в темноте из-за песчаной бури, «у вас будет этот дополнительный механизм для подачи питания, даже если этого достаточно, чтобы отправить экстренное сообщение».
Такие системы могут также обеспечивать маломощные, но долговечные источники энергии для спускаемых аппаратов или вездеходов, исследующих отдаленные места, включая другие луны и планеты, говорит Владимир Коман, постдоктор Массачусетского технологического института и соавтор нового исследования. По его словам, для таких целей большая часть системы может быть изготовлена из местных материалов, а не изготавливаться заранее.