Термоелектричні генератори (ТЕГ) – це пристрої, які можуть перетворювати градієнти температури в електрику. Такі пристрої надзвичайно корисні для вироблення електроенергії для дистанційних датчиків, які неможливо під’єднати до основної електромережі. Звичайний ТЕГ складається з однієї сторони (верхньої або нижньої), яка випромінює тепло для охолодження, і іншої сторони, яка поглинає тепло від сонця або навколишнього середовища.
Це, своєю чергою, генерує градієнт температури поза площиною, який перетворюється на електрику. Однак такі вимоги часто вимагають громіздких, складних і неефективних конструкцій. Це, своєю чергою, ускладнює інтеграцію ТЕГ з іншими компонентами чи системами, обмежуючи їх застосування в системах відновлюваної енергії.
На щастя, дослідники з Кореї тепер, можливо, знайшли спосіб подолати ці виклики. У новому дослідженні дослідники під керівництвом професора Янга Мін Сонга з Науково-технологічного інституту Кванджу (GIST) повідомили про новий гнучкий, легкий і біорозкладний TEG, який черпає своє натхнення з малоймовірного місця — шкіри зебри. По суті, дизайн використовує візерунок, що нагадує чорно-білі смуги зебри, щоб створити високий градієнт температури в площині для генерації електроенергії. Прорив був опублікований в Science Advances.
«Традиційні конструкції ТЕГ великі та громіздкі, оскільки вони покладаються на природну конвекцію, що призводить до градієнта температури поза площиною. Для цього потрібні жорсткі ізолятори, які обмежують застосування ТЕГ у гнучких і переносних пристроях. Зараз ми вийшли за межі цієї парадигми. у нашій розробці, створивши гнучкий бортовий пристрій, який піддається біологічному розкладанню. Це збільшує його застосовність і одночасно зменшує вплив на навколишнє середовище, роблячи його масштабованим, інтегрованим і стійким», — пояснює професор Сонг.
Дослідники використовували полі(L-лактид-ко-ε-капролактон) (PLCL), білий, гнучкий і біорозкладний матеріал, для виготовлення ТРГ. PLCL відбиває сонячне світло та випромінює інфрачервоне (ІЧ) випромінювання, завдяки чому область під ним стає прохолодною. Поверх цього матеріалу дослідники нанесли чорний полі(3,4-етилендіокситіофен): полі (стиролсульфонат) або (PEDOT:PSS), який виглядає чорним на око, виділяючи смуги, схожі на смуги на шкірі зебри проти PLCL.
Причина, по якій PEDOT:PSS виглядає чорним, полягає в тому, що він поглинає сонячне світло, що потрапляє на нього, одночасно відбиваючи ІЧ-випромінювання, що йде знизу (випромінюване PLCL). Це, своєю чергою, підвищує температуру області під чорними смугами, створюючи чергування теплих і холодних областей, тобто температурний градієнт, який потім може перетворюватися на електрику.
Дослідники досягли цього перетворення, використовуючи у своїй конструкції масив кремнієвих наномембран. Нова конструкція змогла створити максимальну різницю температур у 22°C разом із максимальною щільністю енергії 6 мкВт/м². Крім того, пристрій був повністю біологічно розкладений без будь-яких залишків побічних продуктів лише за 35 днів.
Завдяки цим надзвичайним властивостям нова конструкція TEG напевно відкриє двері для масштабованих, екологічно чистих енергетичних систем.
«Пандемія спричинила широке використання одноразових масок і захисного обладнання, що створює величезний вплив на навколишнє середовище. Це підкреслює потребу в стійких і екологічно чистих рішеннях, таких як ТЕГ, які можна включати в такі переносні пристрої для виконання спеціальних функцій, таких як само генерування електроенергії. і відчуття”, – каже професор Сонг. «Наша конструкція може заповнити цю прогалину завдяки своїй легкій та біорозкладаній природі. Її також можна легко інтегрувати в різні енергетичні та інтелектуальні технології мереж, щоб ще більше підвищити їхню функціональність і вплив», — підсумовує він.