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纳米薄膜技术将低能废热转化为电能

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行业资讯
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来源:
发布时间:
2018/04/22 14:38
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每年在美国生产的能源中,近70%被浪费掉。大部分的热量都低于100摄氏度,并且多产生于诸如电脑、汽车或大型工业过程等来源。加利福尼亚大学伯克利分校的工程师开发出了一种薄膜系统,可以将这种系统应用于这种废热源,从而以这种技术史无前例的水平产生能量。

 

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该薄膜系统使用了一种叫做热释电转换的过程,工程师们的新研究表明,这种技术非常适合于100摄氏度以下的热能供应,称为低质废热。热释电转换就像许多把热能转化为能量的系统一样,利用热力学循环最有效,类似于汽车发动机的工作原理。但与汽车发动机不同,热释电转换可以在固体状态下完全实现,没有移动部件,因为它将废热转化为电能。

新的研究结果表明,这种纳米薄膜技术可能对安装和收集高速电子产品的废热特别有吸引力,但可能有很大的应用范围。对于波动的热源,研究报告指出,与其他形式的热释电能量转换相比,薄膜可以将更多能量密度、功率密度和效率水平的废热转化为可用能量。

材料科学与工程副教授Lane Martin说:“我们知道我们需要新能源,但我们还需要在利用我们已有的能源方面做得更好,这些薄膜可以帮助我们挤出比我们今天所获得的更多能源。”

这项研究于4月16日在Nature Materials杂志上发表。这项研究部分得到陆军研究办公室和国家科学基金会的资助。

热释电行为早已被人们所知,但准确测量热释电系统的薄膜性能仍然是一个挑战。这项新研究的一个重要贡献是提高热释电物理的理解。

Martin的研究团队合成了厚度仅为50-100纳米的薄膜,然后与伯克利机械工程副教授Chris Dames一起制作并测试了基于这些薄膜的热电装置结构。这些结构允许工程师同时测量所产生的温度和电流,并利用热量来测试设备的发电能力, 所有这些都在厚度小于100纳米的薄膜上进行。

Martin说:“通过创建一个薄膜器件,我们可以快速地从系统中获得热量,从而使我们能够以前所未有的水平访问访问热电源。我们所做的就是在这个系统中利用热能和电场,我们可以提取能量。”

本研究报告转换能量密度的热释电能源的新纪录(1.06焦耳/立方厘米),功率密度(526瓦/立方厘米)和效率(卡诺效率,19%是对热机的效率标准度量单位)。这一系列研究的下一步将是更好地将薄膜材料优化为特定的废热流和温度。