Tynd film omdanner varme fra elektronik til energi

Næsten 70 procent af den energi, der produceres i USA hvert år, går til spilde som varme. Meget af den varme er mindre end 100 grader Celsius og kommer fra ting som computere, biler eller store industrielle processer. Ingeniører ved University of California, Berkeley, har udviklet et tyndfilmssystem, der kan anvendes på kilder til spildvarme som disse for at producere energi på niveauer, der er hidtil uset for denne form for teknologi.

Tyndfilmsystemet anvender en proces kaldet pyroelektrisk energiomdannelse, som ingeniørernes nye undersøgelse viser, er velegnet til at udnytte spildvarmeenergiforsyninger under 100 grader Celsius, kaldet lavkvalitets spildvarme. Pyroelektrisk energiomdannelse, ligesom mange systemer, der omdanner varme til energi, fungerer bedst med termodynamiske cyklusser, lidt som hvordan en bilmotor fungerer. Men i modsætning til motoren i din bil, pyroelektrisk energikonvertering kan realiseres helt i fast tilstand uden bevægelige dele, da det omdanner spildvarme til elektricitet.

De nye resultater tyder på, at denne nanoskopiske tyndfilmsteknologi kan være særligt attraktiv til at installere og høste spildvarme fra højhastighedselektronik, men kan have et stort anvendelsesområde. For fluktuerende varmekilder, undersøgelsen rapporterer, at den tynde film kan omdanne spildvarme til brugbar energi med højere energitæthed, effekttæthed og effektivitetsniveauer end andre former for pyroelektrisk energiomdannelse.

"Vi ved, at vi har brug for nye energikilder, men vi skal også blive bedre til at udnytte den energi, vi allerede har, " sagde seniorforfatter Lane Martin, lektor i materialevidenskab og teknik. "Disse tynde film kan hjælpe os med at presse mere energi, end vi gør i dag, ud af enhver energikilde."

Forskningen vil blive offentliggjort den 16. april i tidsskriftet Naturmaterialer . Forskningen blev støttet, delvis, ved bevillinger fra Hærens Forskningskontor og National Science Foundation.

Pyroelektrisk adfærd har været kendt i lang tid, men nøjagtig måling af egenskaberne af tyndfilmsversioner af pyroelektriske systemer er fortsat en udfordring. Et væsentligt bidrag fra den nye undersøgelse er at afmystificere denne proces og forbedre forståelsen af ​​pyroelektrisk fysik.

Martins forskerhold syntetiserede tyndfilmsversioner af materialer, der kun var 50-100 nanometer tykke, og derefter sammen med gruppen af ​​Chris Dames, lektor i maskinteknik ved Berkeley, fremstillede og testede de pyroelektriske apparatstrukturer baseret på disse film. Disse strukturer giver ingeniørerne mulighed for samtidig at måle temperaturen og de elektriske strømme, der skabes, og kildevarme for at teste enhedens strømgenereringsfunktioner - alt sammen på en film, der er mindre end 100 nanometer tyk.

"Ved at oprette en tyndfilmsenhed, vi kan få varmen ind og ud af dette system hurtigt, giver os adgang til pyroelektrisk strøm på hidtil usete niveauer for varmekilder, der svinger over tid, " sagde Martin. "Alt vi gør er at hente varme og tilføre elektriske felter til dette system, og vi kan udvinde energi."

Denne undersøgelse rapporterer nye rekorder for pyroelektrisk energiomdannelsesenergitæthed (1,06 Joule pr. kubikcentimeter), effekttæthed (526 watt pr. kubikcentimeter) og effektivitet (19 procent af Carnot effektivitet, som er standard måleenhed for effektiviteten af ​​en varmemotor).

De næste trin i denne forskningslinje vil være at optimere tyndfilmsmaterialerne bedre til specifikke spildvarmestrømme og temperaturer.

"En del af det, vi forsøger at gøre, er at skabe en protokol, der giver os mulighed for at skubbe ekstremerne af pyroelektriske materialer, så du kan give mig en spildvarmestrøm, og jeg kan skaffe dig et materiale, der er optimeret til at løse dine problemer, " sagde Martin.