Generering af elektrisk strøm fra spildvarme

Det er let at konvertere elektrisk strøm til varme. Det sker regelmæssigt i din brødrister, det er, hvis du laver toast regelmæssigt. Det modsatte, omdanne varme til elektrisk strøm, er ikke så let.

Forskere fra Sandia National Laboratories har udviklet en lille siliciumbaseret enhed, der kan udnytte det, der tidligere blev kaldt spildvarme, og gøre det til jævnstrøm. Deres forskud blev for nylig offentliggjort i Physical Review Applied.

"Vi har udviklet en ny metode til i det væsentlige at genvinde energi fra spildvarme. Bilmotorer producerer meget varme, og den varme er bare spild, ret? Så tænk, hvis du kunne konvertere motorvarmen til elektrisk kraft til en hybridbil. Dette er det første skridt i den retning, men der skal gøres meget mere arbejde, "sagde Paul Davids, en fysiker og hovedforsker for undersøgelsen.

"På kort sigt ønsker vi at lave en kompakt infrarød strømforsyning, måske for at erstatte radioisotop termoelektriske generatorer. "Kaldes RTG'er, generatorerne bruges til sådanne opgaver som at drive sensorer til rummissioner, der ikke får nok direkte sollys til at drive solcellepaneler.

Davids enhed er lavet af almindelige og rigelige materialer, såsom aluminium, silicium og siliciumdioxid - eller glas - kombineret på meget usædvanlige måder.

Siliconenhed fanger, kanaler og omdanner varme til strøm

Mindre end en pink søm, enheden er omkring 1/8 tommer med 1/8 tommer, halvt så tykt som en skilling og metallisk skinnende. Toppen er aluminium, der er ætset med striber, der er cirka 20 gange mindre end bredden på et menneskehår. Dette mønster, dog alt for lille til at blive set med øjet, fungerer som en antenne til at fange den infrarøde stråling.

Mellem aluminiumstoppen og siliciumbunden er der et meget tyndt lag siliciumdioxid. Dette lag er omkring 20 siliciumatomer tykke, eller 16, 000 gange tyndere end et menneskehår. Den mønstrede og ætsede aluminiumsantenne kanaliserer den infrarøde stråling ind i dette tynde lag.

Den infrarøde stråling fanget i siliciumdioxid skaber meget hurtige elektriske svingninger, omkring 50 billioner gange i sekundet. Dette skubber elektroner frem og tilbage mellem aluminium og silicium på en asymmetrisk måde. Denne proces, kaldes berigtigelse, genererer netto DC elektrisk strøm.

Teamet kalder sin enhed en infrarød rectenna, et portmanteau af ensretterantenne. Det er en solid-state-enhed uden bevægelige dele til fastklemning, bøje eller knække, og behøver ikke at røre direkte ved varmekilden, som kan forårsage termisk belastning.

Infrarød rectenna -produktion bruger almindelige, skalerbare processer

Fordi teamet laver den infrarøde rectenna med de samme processer, der bruges af den integrerede kredsløbsindustri, det er let skalerbart, sagde Joshua Shank, elektrotekniker og papirets første forfatter, der testede enhederne og modellerede den underliggende fysik, mens han var postdoktor i Sandia.

Han tilføjede, "Vi har bevidst fokuseret på fælles materialer og processer, der er skalerbare. I teorien, ethvert kommercielt fabrik til fremstilling af integrerede kredsløb kan lave disse rektenner. "

Det er ikke at sige, at det var let at oprette den nuværende enhed. Rob Jarecki, fremstillingsingeniøren, der ledede procesudvikling, sagde, "Der er enorm kompleksitet under emhætten, og enhederne kræver alle former for behandlingstricks for at bygge dem."

En af de største fabrikationsudfordringer var at indsætte små mængder andre elementer i silicium, eller doping det, så det ville reflektere infrarødt lys som et metal, sagde Jarecki. "Normalt doper du ikke silicium ihjel, du prøver ikke at gøre det til et metal, fordi du har metaller til det. I dette tilfælde havde vi brug for det dopet så meget som muligt uden at ødelægge materialet. "

Enhederne blev fremstillet hos Sandias Microsystems Engineering, Videnskab og applikationskompleks. Teamet har fået patent på den infrarøde rectenna og har indgivet flere yderligere patenter.

Den version af den infrarøde rectenna, teamet rapporterede i Physical Review Applied, producerer 8 nanowatt effekt pr. Kvadratcentimeter fra en specialiseret varmelampe ved 840 grader. For kontekst, en typisk solcelledrevet lommeregner bruger omkring 5 mikrowatt, så de ville have brug for et ark infrarøde rektenner lidt større end et standard stykke papir for at drive en lommeregner. Så, teamet har mange ideer til fremtidige forbedringer for at gøre den infrarøde rectenna mere effektiv.

Fremtidigt arbejde med at forbedre infrarød rectenna -effektivitet

Disse ideer omfatter at lave rectennas topmønster 2-D x'er i stedet for 1D-striber, for at absorbere infrarødt lys over alle polarisationer; redesign af ensretterlaget til at være en fuldbølge-ensretter i stedet for den nuværende halvbølge-ensretter; og fremstilling af den infrarøde rectenna på en tyndere siliciumskive for at minimere effekttab på grund af modstand.

Gennem forbedret design og større konverteringseffektivitet, effekt pr. arealenhed vil stige. Davids mener, at inden for fem år, den infrarøde rectenna kan være et godt alternativ til RTG'er til kompakte strømforsyninger.

Shank sagde, "Vi skal fortsætte med at forbedre os for at kunne sammenlignes med RTG'er, men rectennas vil være nyttige til enhver applikation, hvor du har brug for noget til at fungere pålideligt i lang tid, og hvor du ikke kan gå ind og bare skifte batteri. Imidlertid, vi kommer ikke til at være et alternativ til solpaneler som en kilde til strøm i netskala, i hvert fald ikke på kort sigt. "

Davids tilføjede, "Vi har fjernet problemet, og nu begynder vi at komme til det punkt, hvor vi ser relativt store gevinster i strømkonvertering, og jeg tror, ​​at der er en vej frem som et alternativ til termoelektrisk. Det føles godt at komme til dette punkt. Det ville være fantastisk, hvis vi kunne skalere det op og ændre verden. "