Термоэлектрические устройства, которые могут генерировать энергию в ситуации, когда температура одной стороны устройства отличается от температуры другой, — предмет многих исследований в последние годы.
Команда из Массачусетского технологического института придумала новый способ преобразования колебаний температуры в электроэнергию. Вместо того, чтобы добиваться двух разных температур одновременно и играть на их разнице, новая система использует естественные колебания температуры воздуха во время суточного цикла.
Установка, названная термальным или тепловым резонатором, по словам ее разработчиков, способна обеспечить непрерывную автономную работу в течение многих лет, к примеру, систем дистанционного зондирования, не требуя использования других источников энергии или аккумуляторов. Посвященная ей работа опубликована в журнале Nature Communications.
«Мы создали первый термальный резонатор, который может лежать на столе и генерировать энергию из того, что кажется ничем. Мы постоянно окружены температурными колебаниями всевозможных частот. И это неиспользованный источник энергии», — говорит один из авторов работы, профессор химической инженерии Майкл Страно.
Прототип устройства, которое провело несколько месяцев на крыше здания MIT и использовалось для доказательства состоятельности технологии. Термальный резонатор — это черный ящик справа. Также здесь присутствует система мониторинга погоды (белая) и набор оборудования для отслеживания производительности системы (черный пластиковый чемодан слева)
Выходная мощность новой системы пока скромна, но преимущество теплового резонатора заключается в том, что ему не нужен прямой солнечный свет, он генерирует энергию из изменений температуры окружающей среды даже в тени. Это означает, что в отличие от солнечных панелей на него не влияет облачность, в отличие от ветряков — не имеет значения скорость ветра и т.д. Все, что нужно ему для работы, можно найти в любом месте — даже в вечной тени под солнечной панелью, где термальный резонатор продолжит генерировать энергию и при отсутствии солнечного света.
Было продемонстрировано, что тепловой резонатор по своим свойствам в три раза эффективнее производящегося пироэлектрического материала сопоставимых габаритов, преобразующего температурные колебания в электричество.
Исследователи пришли к пониманию того, что для получения энергии из температурных циклов им нужен материал, эксплуатирующий такую малопризнанную в научной среде характеристику, как тепловая эффузия — свойство, которое описывает, как легко материал может черпать тепло из своего окружения или высвобождать его.
Тепловая эффузия сочетает в себе свойства теплопроводности (как быстро тепло может проходить через материал) и теплоемкость (сколько тепла можно хранить в заданном объеме материала). В большинстве материалов, если одно из этих свойств велико, другое имеет тенденцию быть низким. Керамика, например, обладает высокой теплоемкостью, но низкой проводимостью.
Чтобы обойти это ограничение, команда MIT тщательно подбирала материалы. Основная структура, которую она использовала — это медная или никелевая пена, которая затем покрывается слоем графена, чтобы обеспечить еще большую теплопроводность. Затем металлическая пена наполняется напоминающим воск октадеканом — материалом со сменой фазы, который становится то твердым, то жидким в пределах определенного диапазона температур, выбранных для конкретного применения.
Образец материала, сделанного для проверки концепции, показал, что в ответ на разницу температур в 10 градусов по Цельсию между ночью и днем, крошечный образец материала произвел 350 милливольт электрического потенциала и 1,3 милливатта энергии, что достаточно для питания небольшого датчика окружающей среды или коммуникационной системы.
Материал с изменением фазы сохраняет тепло, а графен дает очень быструю проводимость, когда приходит время использовать это тепло для генерации электротока, говорит ведущий автор исследования, аспирант Антон Коттрилл.
По сути, одна сторона устройства захватывает тепло, которое затем медленно перетекает на другую сторону. Одна сторона термального резонатора всегда отстает от другой, поскольку система пытается достичь равновесия. Из этой вечной разницы между двумя температурами самый обычный термоэлектрический материал и вырабатывает электричество.
Хотя начальное тестирование системы проводилось с использованием 24-часового цикла температуры окружающего воздуха, свойства материала могут быть настроены и на другие температурные циклы — таких, как тепло от циклического включения моторов в холодильнике или оборудовании на промышленных предприятиях.
Конечно, существуют и другие подходы по извлечению энергии из тепловых циклов, например, с помощью пироэлектрических устройств, однако новая система является первой, которая может быть настроена на то, чтобы реагировать на определенные периоды колебаний температуры, такие, как суточный цикл.
Новая технология может быть использована в гибридной системе, которая, объединив несколько путей для производства энергии, могла бы работать даже в случае сбоя отдельных компонентов. Не даром конкретно вот это исследование было частично профинансировано грантом Университета науки и технологии имени Короля Абдуллы в Саудовской Аравии, который надеется использовать ее как способ питания сетей датчиков, отслеживающих условия на нефтяных и газовых месторождениях.
Саудиты хотят одновременно использовать полностью независимые друг от друга источники энергии: генераторы, работающие на ископаемом топливе, солнечные панели и новое устройство, эксплуатирующее разницу температур.
Технология может также обеспечивать энергией маломощные, но долговечные источники энергии для посадочных модулей или роверов, исследующих отдаленные районы, в том числе луны и планеты, говорит Володимир Коман, научный сотрудник MIT и соавтор нового исследования. По его словам, для такого использования большая часть системы даже может изготавливаться из доступных на месте материалов.
