Исследователи разработали новый термоэлектрогенератор (ТЭГ), способный непрерывно вырабатывать электроэнергию, используя солнечное тепло и излучающий элемент, выделяющий тепло в воздух. Поскольку он работает днём и ночью, и даже в условиях облачности, новый ТЭГ может стать надёжным источником энергии для небольших электронных устройств — таких как наружные датчики.
«Традиционные источники энергии, такие как батареи, имеют ограниченную ёмкость и требуют регулярной замены или подзарядки, что может быть неудобно и нерационально, — говорит руководитель исследовательской группы Цзин Лю из Университета Цзимэй в Китае. — Наша новая конструкция ТЭГ может предложить устойчивое и непрерывное энергетическое решение для небольших устройств, устраняя ограничения традиционных источников энергии, таких как батареи».
ТЭГ — это твердотельные устройства, которые используют разницу температур для выработки электроэнергии без каких-либо движущихся частей. В журнале Optics Express Лю и группа исследователей из разных институтов описали и продемонстрировали новый ТЭГ, который может одновременно генерировать тепло и холод, необходимые для создания разницы температур, достаточно большой для выработки электроэнергии даже при отсутствии солнца. Пассивный источник энергии состоит из компонентов, которые можно легко изготовить.
«Уникальная конструкция нашего самозаряжающегося термоэлектрического генератора позволяет ему работать непрерывно, независимо от погоды, — сказал Лю. — При дальнейшем развитии наш ТЭГ может оказать влияние на широкий спектр приложений, от удалённых датчиков до носимой электроники, способствуя более устойчивому и экологичному подходу к питанию нашей повседневной жизни».
Когда термоэлектрический материал испытывает разницу температур, электроны перетекают из горячей части в холодную, генерируя электрический ток. Хотя ТЭГ, основанные на этом явлении, существуют, они, как правило, не вырабатывают достаточно электроэнергии, чтобы быть полезными.
Для устранения этих ограничений исследователи разработали новый тип ТЭГ. В нём используется компонент под названием ультраширокополосный солнечный поглотитель (UBSA) для захвата солнечного света, который нагревает одну сторону генератора. Одновременно другой компонент, планарный излучатель лучистого охлаждения (RCE), охлаждает другую сторону, выделяя тепло. И UBSA, и RCE могут быть нанесены на гибкую подложку, что может быть полезно, например, для питания носимых устройств.
Поскольку нагревательная способность UBSA значительно превышает охлаждающую способность RCE при нормальной интенсивности солнечного света, исследователи поместили RCE поверх UBSA с большей площадью. Когда солнечный свет попадает на все устройство, незатененные части UBSA поглощают солнечную энергию и нагреваются, а расположенный сверху RCE начинает охлаждаться. Комбинация нагрева и охлаждения создаёт разницу температур, которая преобразуется в электричество.
Ночью или в пасмурные дни разница температур значительно уменьшается из-за отсутствия прямого солнечного света. Тем не менее, всё ещё существует некоторая разница температур, которая может быть использована для выработки электроэнергии, хотя и с меньшей эффективностью по сравнению с солнечным днём.
Для проверки устройства исследователи провели эксперименты на открытом воздухе при различных погодных условиях. Они отслеживали выходное напряжение устройства и обнаружили, что оно может генерировать электроэнергию непрерывно в течение дня и ночи, а также в условиях пасмурного дневного света. В ясную погоду устройство достигло пикового напряжения 166,2 мВ, что достаточно для питания небольшого датчика или устройства. В условиях ясной ночи и пасмурного дня оно генерировало 14,7 мВ и 95 мВ соответственно.
