系统从日常温度波动中获取能量

当装置的一侧与另一侧的温度不同时可以产生电力的热电装置近年来已成为许多研究的主题。现在，麻省理工学院的一个团队提出了一种将温度波动转换为电能的新方法。新系统不是同时需要两个不同的温度输入，而是利用昼夜循环期间发生的环境温度波动。

研究人员表示，新系统称为热谐振器，可以实现遥感系统持续长达数年的运行，例如，无需其他电源或电池。

研究结果发表在Nature Communications杂志上，研究生Anton Cottrill，Carbon P. Dubbs化学工程教授Michael Strano和麻省理工学院化学工程系的其他七篇论文中。

“我们基本上是用整块布料发明了这个概念，”斯特拉诺说。“我们已经制造出了第一个热谐振器。它可以放在桌子上并从看似没有的东西中产生能量。我们一直被所有不同频率的温度波动所包围。这些是未开发的能源“。

虽然到目前为止新系统产生的功率水平是适度的，但热谐振器的优点是它不需要直射阳光; 即使在阴凉处，它也能从环境温度变化产生能量。这意味着它不受云层覆盖，风力条件或其他环境条件的短期变化的影响，并且可以位于任何方便的地方 - 即使在太阳能电池板下面，在永久阴影中，甚至可以让太阳能电池板研究人员表示，通过吸收余热可以提高效率。

根据Cottrill的说法，热谐振器的性能优于相同尺寸的商用热电材料 - 一种将温度波动转换为电能的既定方法 - 按每个面积的功率计算，其系数超过三倍。

研究人员意识到，为了从温度循环中产生能量，他们需要一种针对一种鲜为人知的特性(称为热渗透性)进行优化的材料 - 这种特性描述了材料如何容易地从周围环境吸收热量或释放热量。热流出性结合了热传导的特性(热量可以通过材料传播的速度)和热容量(在给定体积的材料中可以存储多少热量)。在大多数材料中，如果这些特性中的一个较高，则另一个特性较低。例如，陶瓷具有高热容量但传导性低。

为了解决这个问题，该团队创建了精心定制的材料组合。基本结构是由铜或镍制成的金属泡沫，然后涂覆一层石墨烯以提供更大的导热性。然后，泡沫注入一种叫做十八烷的蜡，一种相变材料，它在给定应用所选择的特定温度范围内在固体和液体之间变化。

用于测试该概念的材料样本显示，仅仅是为了响应夜间和白天之间10摄氏度的温差，微小的材料样本产生350毫伏的电势和1.3毫瓦的电力 - 足以供电简单，小型环境传感器或通信系统。

“相变材料储存了热量，”该研究的主要作者Cottrill说，“当使用这种热量来产生电流时，石墨烯可以非常快速地传导。”

基本上，斯特拉诺解释说，设备的一侧捕获热量，然后慢慢地辐射到另一侧。当系统试图达到平衡时，一方总是落后于另一方。然后可以通过传统的热电材料收获双方之间的永久差异。Strano说，这三种材料的组合 - 金属泡沫，石墨烯和十八烷 - 使其成为“迄今为止文献中最高的热渗透材料”。

虽然初始测试是使用环境空气温度的24小时每日循环完成的，但调整材料的性质可以获得其他类型的温度循环，例如来自电机的开关循环的热量在冰箱或工业设备中的机器。

斯特拉诺说：“我们被温度变化和波动所包围，但它们在环境中并没有得到很好的表征。” 这部分是因为没有已知的方法来利用它们。

其他方法已经被用来试图从热循环中获取能量，例如热电装置，但是新系统是第一个可以调整以响应特定温度变化周期的系统，例如昼夜周期，研究人员说。

这些温度变化是“未开发的能量”，Cottrill说，并且可能是混合系统中的补充能源，通过组合多个生产动力的途径，即使单个组件发生故障也能继续工作。该研究的部分资金来自沙特阿拉伯国王阿卜杜拉科技大学(KAUST)的资助，该大学希望利用该系统为监测石油和天然气钻井领域的传感器网络提供动力。

“他们想要正交能源，”Cottrill说 - 也就是那些完全相互独立的能源，例如化石燃料发电机，太阳能电池板和这种新的热循环动力装置。因此，“如果一个部件失效”，例如如果太阳能电池板被沙尘暴留在黑暗中，“你将拥有这种额外的机制来提供电力，即使它足以发出紧急信息。”

麻省理工学院博士后和新研究的共同作者沃洛迪米尔科曼说，这样的系统还可以为着陆器或探测器提供低功率但持久的能源，探测远程位置，包括其他卫星和行星。他说，对于这样的用途，大部分系统都可以用当地材料制成，而不是必须预先制作。