Исследователи разработали новый термоэлектрический генератор (ТЭГ), который может непрерывно вырабатывать электроэнергию, используя тепло солнца и излучающий элемент, выделяющий тепло в воздух. Поскольку новый автономный TEG работает днем или ночью, а также в пасмурную погоду, он может стать надежным источником питания для небольших электронных устройств, таких как наружные датчики.
«Традиционные источники питания, такие как аккумуляторы, ограничены по емкости и требуют регулярной замены или подзарядки, что может быть неудобным и неустойчивым», — сказал руководитель исследовательской группы Цзин Лю из Университета Цзимэй в Китае. «Наш новый дизайн TEG может предложить устойчивое и непрерывное энергетическое решение для небольших устройств, устраняющее ограничения традиционных источников питания, таких как батареи».
ТЭГИ — это твердотельные устройства, которые используют перепады температур для выработки электроэнергии без каких-либо движущихся частей. В журнале Optics Express Лю и мультиинституциональная команда исследователей описывают и демонстрируют новый TEG, который может одновременно генерировать тепло и холод, необходимые для создания разницы температур, достаточной для выработки электроэнергии, даже когда солнца нет. Пассивный источник питания изготовлен из компонентов, которые легко поддаются изготовлению.
«Уникальная конструкция нашего автономного термоэлектрического генератора позволяет ему работать непрерывно, независимо от погоды», — сказал Лю. «При дальнейшем развитии наш TEG потенциально может повлиять на широкий спектр применений, от удаленных датчиков до носимой электроники, способствуя более устойчивому и экологичному подходу к обеспечению энергией нашей повседневной жизни».
Повышение производительности TEG
Когда термоэлектрический материал испытывает температурный градиент, электроны перетекают из горячей части в холодную, генерируя электрический ток. Хотя ТЭГИ, основанные на этом явлении, существуют, они, как правило, создают нестабильные перепады температур и не вырабатывают достаточного количества электроэнергии, чтобы быть полезными.
Чтобы устранить эти ограничения, исследователи разработали новый тип TEG. Он использует компонент, называемый сверхширокополосным солнечным поглотителем (UBSA), для улавливания солнечного света, который нагревает одну сторону генератора. Одновременно другой компонент, называемый планарным излучателем радиационного охлаждения (RCE), охлаждает другую сторону, выделяя тепло. Как UBSA, так и RCE могут быть нанесены на гибкую подложку, что может быть полезно, например, для питания носимых устройств.
Поскольку мощность нагрева UBSA значительно превышает мощность охлаждения RCE при нормальной интенсивности солнечного света, исследователи разместили RCE поверх UBSA большей площади. Когда солнечный свет попадает на все устройство, незатененные части UBSA поглощают солнечную энергию для нагрева, в то время как RCE сверху начинает охлаждаться. Комбинация нагрева и охлаждения создает разницу температур, которая преобразуется в электроэнергию.
Ночью или в пасмурные дни разница температур значительно уменьшается из-за отсутствия прямых солнечных лучей. Однако все еще существует некоторая разница температур, которую можно использовать для выработки электроэнергии, хотя и с меньшей эффективностью по сравнению с солнечным днем.
Выработка электроэнергии в ночное время
Чтобы протестировать устройство, исследователи провели эксперименты на открытом воздухе при различных погодных условиях. Они отслеживали выходное напряжение устройства и обнаружили, что оно может непрерывно вырабатывать электроэнергию в течение дня и ночи, а также в пасмурное время суток. Устройство достигало пикового выходного напряжения 166,2 мВ в ясное дневное время, чего было достаточно для питания небольшого датчика или устройства. В ясное ночное время и пасмурное дневное время он генерировал 14,7 мВ и 95 мВ соответственно.
«Наш инновационный метод сочетания солнечного нагрева с радиационным охлаждением позволяет TEG непрерывно вырабатывать электроэнергию», — сказал член исследовательской группы Хаоюань Цай. «Это могло бы улучшить доступ к критически важным услугам, особенно в отдаленных или слаборазвитых районах, где традиционные источники энергии недоступны».
В настоящее время исследователи работают над дальнейшей оптимизацией эффективности, долговечности и масштабируемости устройства и планируют протестировать его долгосрочную стабильность и надежность в различных условиях. Они также хотят изучить потенциал массового производства по разумной цене и улучшить производительность устройства и его адаптивность к различным приложениям.
Источник: https://techxplore.com/news/2023-04-passive-device-generates-electricity-day.html
More information: Jing Liu et al, All-day uninterrupted thermoelectric generator by simultaneous harvesting of solar heating and radiative cooling, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.483531
Journal information: Optics Express — https://techxplore.com/journals/optics-express/