Systemet trækker strøm fra daglige temperaturudsving

Termoelektriske enheder, som kan generere strøm, når den ene side af enheden har en anden temperatur end den anden, har været genstand for meget forskning i de senere år. Nu, et hold ved MIT har fundet frem til en ny måde at konvertere temperatursvingninger til elektrisk strøm. I stedet for at kræve to forskellige temperaturindgange på samme tid, det nye system udnytter de udsving i den omgivende temperatur, der opstår i løbet af dag-nat-cyklussen.

Det nye system, kaldet en termisk resonator, kunne muliggøre kontinuerlig, årelang drift af fjernmålingssystemer, for eksempel, uden at kræve andre strømkilder eller batterier, siger forskerne.

Resultaterne bliver rapporteret i tidsskriftet Naturkommunikation , i et papir af kandidatstuderende Anton Cottrill, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik Michael Strano, og syv andre i MIT's Department of Chemical Engineering.

"Vi har dybest set opfundet dette koncept af hel klud, " siger Strano. "Vi har bygget den første termiske resonator. Det er noget, der kan sidde på et skrivebord og generere energi ud af, hvad der ligner ingenting. Vi er hele tiden omgivet af temperaturudsving af alle forskellige frekvenser. Disse er en uudnyttet energikilde."

Mens strømniveauerne genereret af det nye system indtil videre er beskedne, fordelen ved den termiske resonator er, at den ikke har brug for direkte sollys; det genererer energi fra ændringer i omgivelsernes temperatur, selv i skyggen. Det betyder, at den er upåvirket af kortsigtede ændringer i skydække, vindforhold, eller andre miljøforhold, og kan placeres hvor som helst, det er praktisk – selv under et solpanel, i evig skygge, hvor det endda kunne tillade solpanelet at være mere effektivt ved at trække spildvarme væk, siger forskerne.

Den termiske resonator viste sig at overgå en identisk størrelse, kommercielt pyroelektrisk materiale - en etableret metode til at konvertere temperatursvingninger til elektricitet - med faktor på mere end tre i form af effekt pr. ifølge Cottrill.

Forskerne indså, at for at producere strøm fra temperaturcyklusser, de havde brug for et materiale, der er optimeret til en lidt anerkendt egenskab kaldet termisk effusivitet - en egenskab, der beskriver, hvor let materialet kan trække varme fra omgivelserne eller frigive det. Termisk effusivitet kombinerer egenskaberne ved termisk ledning (hvor hurtigt varme kan forplante sig gennem et materiale) og termisk kapacitet (hvor meget varme kan lagres i en given mængde materiale). I de fleste materialer, hvis en af ​​disse egenskaber er høj, den anden har en tendens til at være lav. Keramik, for eksempel, har høj termisk kapacitet men lav ledning.

For at komme uden om dette, holdet skabte en omhyggeligt skræddersyet kombination af materialer. Den grundlæggende struktur er et metalskum, lavet af kobber eller nikkel, som derefter er belagt med et lag grafen for at give endnu større varmeledningsevne. Derefter, skummet er infunderet med en slags voks kaldet octadecan, et faseskiftende materiale, som skifter mellem fast og flydende inden for et bestemt temperaturinterval valgt til en given anvendelse.

En prøve af materialet lavet til at teste konceptet viste, at blot som svar på en temperaturforskel på 10 grader celsius mellem nat og dag, den lille prøve af materiale producerede 350 millivolt potentiale og 1,3 milliwatt effekt - nok til at drive enkelt, små miljøsensorer eller kommunikationssystemer.

"Faseændringsmaterialet lagrer varmen, " siger Cottrill, undersøgelsens hovedforfatter, "og grafen giver dig meget hurtig ledning", når det er tid til at bruge den varme til at producere en elektrisk strøm.

I det væsentlige, Strano forklarer, den ene side af enheden fanger varme, som så langsomt stråler igennem til den anden side. Den ene side halter altid efter den anden, når systemet forsøger at nå ligevægt. Denne evige forskel mellem de to sider kan så høstes gennem konventionel termoelektrik. Kombinationen af ​​de tre materialer - metalskum, grafen, og octadecan - gør det til "det højeste termiske effusivitetsmateriale i litteraturen til dato, " siger Strano.

Mens den indledende test blev udført ved hjælp af den 24-timers daglige cyklus af omgivende lufttemperatur, justering af materialets egenskaber kunne gøre det muligt at høste andre former for temperaturcyklusser, såsom varmen fra tænd-og-sluk-cykling af motorer i et køleskab, eller af maskiner i industrianlæg.

"Vi er omgivet af temperaturvariationer og udsving, men de har ikke været velkarakteriseret i miljøet, " siger Strano. Dette er til dels, fordi der ikke var nogen kendt måde at udnytte dem på.

Andre tilgange er blevet brugt til at forsøge at trække strøm fra termiske cyklusser, med pyroelektriske enheder, for eksempel, men det nye system er det første, der kan indstilles til at reagere på specifikke perioder med temperaturvariationer, såsom den daglige cyklus, siger forskerne.

Disse temperaturvariationer er "uudnyttet energi, " siger Cottrill, og kunne være en komplementær energikilde i et hybridsystem, ved at kombinere flere veje til at producere strøm, kunne fortsætte med at fungere, selvom de enkelte komponenter svigtede. Forskningen blev delvist finansieret af en bevilling fra Saudi-Arabiens King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), som håber at bruge systemet som en måde at drive netværk af sensorer, der overvåger forholdene på olie- og gasborefelter, for eksempel.

"De vil have ortogonale energikilder, "Cottrill siger - det vil sige, dem, der er fuldstændig uafhængige af hinanden, såsom fossile brændstofgeneratorer, solpaneler, og denne nye termiske cyklus strøm enhed. Dermed, "hvis en del fejler, "for eksempel hvis solpaneler efterlades i mørke af en sandstorm, "Du vil have denne ekstra mekanisme til at give magt, selvom det bare er nok til at sende en nødbesked ud."

Sådanne systemer kunne også levere energikilder med lav effekt, men langtidsholdbare energikilder til landere eller rovere, der udforsker fjerntliggende steder, inklusive andre måner og planeter, siger Volodymyr Koman, en MIT postdoc og medforfatter til det nye studie. Til sådanne anvendelser, meget af systemet kunne være lavet af lokale materialer i stedet for at skulle være færdiglavet, han siger.