Исследователи из Дальневосточного федерального университета, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и китайских научных центров создали устройство, получающее электроэнергию за счет разницы температур. Днем одна часть устройства нагревается от солнечного света, а ночью другая помогает отводить тепло в окружающее пространство. Результаты работы опубликованы в журнале Nano Research.
Как сообщила порталу Наука Mail пресс-служба Минобрнауки РФ, в основе разработки — термоэлектрический генератор. Такие устройства превращают разницу температур в электричество: если одна сторона теплее другой, появляется электрический отклик. Этот принцип может быть полезен для малой электроники и автономных датчиков, но есть сложность: перепад температур нужно поддерживать постоянно.
Ученые создали устройство, которое одновременно нагревается с одной стороны и охлаждается с другой. В центре находится термоэлектрический генератор, который может вырабатывать электричество за счет разницы температур. К нему с двух сторон прикреплены специальные пластины с микроскопическими структурами.
Одна пластина сделана из кремния и покрыта крошечными острыми конусами, как у глаз ночной бабочки. Благодаря такой структуре она почти не отражает солнечный свет — поглощает до 95%. Это позволяет ей сильно нагреваться на солнце, превышая температуру окружающего воздуха.
Вторая пластина — из диоксида кремния — покрыта усеченными конусами. Она почти не поглощает солнечный свет, зато эффективно излучает тепло в инфракрасном диапазоне 8−13 мкм. Этот диапазон называют «атмосферным окном», потому что тепло через него свободно уходит в космос, не задерживаясь в воздухе. Благодаря этому пластина охлаждается, даже когда светит солнце.
Таким образом, одна сторона устройства нагревается от солнца, а другая — охлаждается за счет излучения тепла в пространство. Разница температур между ними позволяет генератору вырабатывать электричество, используя только солнечную энергию и холод космоса.
Ключевой результат работы — это экспериментальная демонстрация интеграции двух концепций — фототермического преобразования и пассивного радиационного охлаждения — в едином термоэлектрическом генераторе. Оба подхода реализуются за счет правильно подобранных материалов и их микроструктурирования, определяющего оптические свойства в требуемых спектральных диапазонах. За счет этого удалось заметно улучшить характеристики коммерческого термоэлектрического генератора.
Устройство проверили в разные сезоны. Лучше всего оно работало летом, когда солнечного света больше. Весной и осенью показатели были ниже, зимой — минимальными. При этом генерация не прекращалась и ночью: в темное время суток устройство продолжало работать за счет охлаждения одной из поверхностей.
Пока речь идет о сборе небольшого количества энергии, но для термоэлектрических технологий важен сам принцип устойчивого создания температурного перепада без активной системы охлаждения. Полученные результаты закладывают основу для масштабирования и оптимизации конструкций термоэлектрических устройств за счет использования эффективных микроструктурированных покрытий.
Авторы отмечают, что такие решения могут быть полезны для развития термоэлектрических устройств нового поколения — например, для автономных датчиков и малой электроники, где важно получать энергию без сложных систем охлаждения и внешнего питания.
В исследовании участвовали специалисты Харбинского технологического института, Ляонинской академии материалов, Дальневосточного федерального университета, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и других научных организаций.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что найден способ сделать суперконденсаторы эффективнее.