Дослідники розробили новий термоелектричний генератор (TEG), який може безперервно генерувати електроенергію, використовуючи тепло від сонця та радіаційний елемент, який виділяє тепло в повітря. Оскільки він працює вдень або вночі та в хмарних умовах, новий ТЕГ з автономним живленням може стати надійним джерелом живлення для невеликих електронних пристроїв, таких як зовнішні датчики.
«Традиційні джерела живлення, такі як батареї, мають обмежену ємність і вимагають регулярної заміни або підзарядки, що може бути незручним і нестабільним», — сказав керівник дослідницької групи Цзін Лю з Університету Джімей в Китаї. «Наша нова конструкція TEG може запропонувати стійке та безперервне енергопостачання для невеликих пристроїв, усуваючи обмеження традиційних джерел живлення, таких як батареї».
ТЕГ — це твердотільні пристрої, які використовують різницю температур для виробництва електроенергії без рухомих частин. У журналі Optics Express Лю та багатоінституційна команда дослідників описують і демонструють новий ТЕГ, який може одночасно генерувати тепло і холод, необхідні для створення достатньо великої різниці температур, щоб виробляти електроенергію, навіть коли сонце не світить. Пасивне джерело живлення складається з компонентів, які легко виготовити.
«Унікальна конструкція нашого термоелектричного генератора з автономним живленням дозволяє йому працювати безперервно, незалежно від погоди», — сказав Лю. «З подальшим розвитком наш TEG має потенціал для впливу на широкий спектр застосувань, від дистанційних датчиків до носимої електроніки, сприяючи більш стійкому та екологічному підходу до живлення нашого повсякденного життя».
Підвищення продуктивності TEG
Коли термоелектричний матеріал відчуває температурний градієнт, електрони будуть текти від гарячої частини до холодної, генеруючи електричний струм. Хоча ТЕГ, засновані на цьому явищі, існують, вони, як правило, створюють нестабільні перепади температур і не виробляють достатньо електроенергії, щоб бути корисними.
Щоб усунути ці обмеження, дослідники розробили новий тип ТЕГ. Він використовує компонент під назвою ультраширокосмуговий сонячний поглинач (UBSA) для захоплення сонячного світла, яке нагріває одну сторону генератора. Одночасно інший компонент, який називається планарним випромінювальним випромінювачем (RCE), охолоджує іншу сторону, виділяючи тепло. Як UBSA, так і RCE можна застосувати до гнучкої підкладки, яка може бути корисною, наприклад, для живлення носимих пристроїв.
Оскільки потужність нагріву UBSA значно більша, ніж потужність охолодження RCE за нормальної інтенсивності сонячного світла, дослідники розмістили RCE поверх UBSA з більшою площею. Коли сонячне світло потрапляє на весь пристрій, незатінені частини UBSA поглинають енергію сонця, щоб нагрітися, тоді як RCE зверху починає охолоджуватися. Поєднання нагріву та охолодження створює різницю температур, яка перетворюється на електроенергію.
Вночі або в похмурі дні різниця температур значно зменшується через відсутність прямих сонячних променів. Однак все ще існує деяка різниця температур, яку можна використовувати для виробництва електроенергії, хоча й з меншою ефективністю порівняно з сонячним днем.
Виробництво електроенергії вночі
Щоб перевірити пристрій, дослідники провели експерименти на відкритому повітрі за різних погодних умов. Вони спостерігали за вихідною напругою пристрою та виявили, що він може безперервно генерувати електроенергію вдень і вночі, а також у хмарну погоду. Пристрій досяг пікової вихідної напруги 166,2 мВ під час ясної погоди, достатньої для живлення невеликого датчика або пристрою. У ясну нічну та хмарну денну погоду він генерував 14,7 мВ і 95 мВ відповідно.
«Наш інноваційний метод поєднання сонячного опалення з радіаційним охолодженням дозволяє ТЕГ безперебійно генерувати електроенергію», — сказав член дослідницької групи Хаоюань Цай. «Це може покращити доступ до критично важливих послуг, особливо у віддалених або слаборозвинених районах, де традиційні джерела електроенергії недоступні».
Зараз дослідники працюють над подальшою оптимізацією ефективності, довговічності та масштабованості пристрою та планують перевірити його довгострокову стабільність і надійність за різних умов. Вони також хочуть вивчити потенціал для масового виробництва за розумною ціною та покращити продуктивність пристрою та адаптацію до різних програм.