當(dāng)裝置的一側(cè)與另一側(cè)的溫度不同時可以產(chǎn)生電力的熱電裝置近年來已成為許多研究的主題?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個團(tuán)隊提出了一種將溫度波動轉(zhuǎn)換為電能的新方法。新系統(tǒng)不是同時需要兩個不同的溫度輸入，而是利用晝夜循環(huán)期間發(fā)生的環(huán)境溫度波動。

研究人員表示，新系統(tǒng)稱為熱諧振器，可以實現(xiàn)遙感系統(tǒng)持續(xù)長達(dá)數(shù)年的運(yùn)行，例如，無需其他電源或電池。

研究結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上，研究生Anton Cottrill，Carbon P. Dubbs化學(xué)工程教授Michael Strano和麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系的其他七篇論文中。

“我們基本上是用整塊布料發(fā)明了這個概念，”斯特拉諾說。“我們已經(jīng)制造出了第一個熱諧振器。它可以放在桌子上并從看似沒有的東西中產(chǎn)生能量。我們一直被所有不同頻率的溫度波動所包圍。這些是未開發(fā)的能源“。

雖然到目前為止新系統(tǒng)產(chǎn)生的功率水平是適度的，但熱諧振器的優(yōu)點是它不需要直射陽光; 即使在陰涼處，它也能從環(huán)境溫度變化產(chǎn)生能量。這意味著它不受云層覆蓋，風(fēng)力條件或其他環(huán)境條件的短期變化的影響，并且可以位于任何方便的地方 - 即使在太陽能電池板下面，在永久陰影中，甚至可以讓太陽能電池板研究人員表示，通過吸收余熱可以提高效率。

根據(jù)Cottrill的說法，熱諧振器的性能優(yōu)于相同尺寸的商用熱電材料 - 一種將溫度波動轉(zhuǎn)換為電能的既定方法 - 按每個面積的功率計算，其系數(shù)超過三倍。

研究人員意識到，為了從溫度循環(huán)中產(chǎn)生能量，他們需要一種針對一種鮮為人知的特性(稱為熱滲透性)進(jìn)行優(yōu)化的材料 - 這種特性描述了材料如何容易地從周圍環(huán)境吸收熱量或釋放熱量。熱流出性結(jié)合了熱傳導(dǎo)的特性(熱量可以通過材料傳播的速度)和熱容量(在給定體積的材料中可以存儲多少熱量)。在大多數(shù)材料中，如果這些特性中的一個較高，則另一個特性較低。例如，陶瓷具有高熱容量但傳導(dǎo)性低。

為了解決這個問題，該團(tuán)隊創(chuàng)建了精心定制的材料組合。基本結(jié)構(gòu)是由銅或鎳制成的金屬泡沫，然后涂覆一層石墨烯以提供更大的導(dǎo)熱性。然后，泡沫注入一種叫做十八烷的蠟，一種相變材料，它在給定應(yīng)用所選擇的特定溫度范圍內(nèi)在固體和液體之間變化。

用于測試該概念的材料樣本顯示，僅僅是為了響應(yīng)夜間和白天之間10攝氏度的溫差，微小的材料樣本產(chǎn)生350毫伏的電勢和1.3毫瓦的電力 - 足以供電簡單，小型環(huán)境傳感器或通信系統(tǒng)。

“相變材料儲存了熱量，”該研究的主要作者Cottrill說，“當(dāng)使用這種熱量來產(chǎn)生電流時，石墨烯可以非常快速地傳導(dǎo)。”

基本上，斯特拉諾解釋說，設(shè)備的一側(cè)捕獲熱量，然后慢慢地輻射到另一側(cè)。當(dāng)系統(tǒng)試圖達(dá)到平衡時，一方總是落后于另一方。然后可以通過傳統(tǒng)的熱電材料收獲雙方之間的永久差異。Strano說，這三種材料的組合 - 金屬泡沫，石墨烯和十八烷 - 使其成為“迄今為止文獻(xiàn)中最高的熱滲透材料”。

雖然初始測試是使用環(huán)境空氣溫度的24小時每日循環(huán)完成的，但調(diào)整材料的性質(zhì)可以獲得其他類型的溫度循環(huán)，例如來自電機(jī)的開關(guān)循環(huán)的熱量在冰箱或工業(yè)設(shè)備中的機(jī)器。

斯特拉諾說：“我們被溫度變化和波動所包圍，但它們在環(huán)境中并沒有得到很好的表征。” 這部分是因為沒有已知的方法來利用它們。

其他方法已經(jīng)被用來試圖從熱循環(huán)中獲取能量，例如熱電裝置，但是新系統(tǒng)是第一個可以調(diào)整以響應(yīng)特定溫度變化周期的系統(tǒng)，例如晝夜周期，研究人員說。

這些溫度變化是“未開發(fā)的能量”，Cottrill說，并且可能是混合系統(tǒng)中的補(bǔ)充能源，通過組合多個生產(chǎn)動力的途徑，即使單個組件發(fā)生故障也能繼續(xù)工作。該研究的部分資金來自沙特阿拉伯國王阿卜杜拉科技大學(xué)(KAUST)的資助，該大學(xué)希望利用該系統(tǒng)為監(jiān)測石油和天然氣鉆井領(lǐng)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供動力。

“他們想要正交能源，”Cottrill說 - 也就是那些完全相互獨立的能源，例如化石燃料發(fā)電機(jī)，太陽能電池板和這種新的熱循環(huán)動力裝置。因此，“如果一個部件失效”，例如如果太陽能電池板被沙塵暴留在黑暗中，“你將擁有這種額外的機(jī)制來提供電力，即使它足以發(fā)出緊急信息。”

麻省理工學(xué)院博士后和新研究的共同作者沃洛迪米爾科曼說，這樣的系統(tǒng)還可以為著陸器或探測器提供低功率但持久的能源，探測遠(yuǎn)程位置，包括其他衛(wèi)星和行星。他說，對于這樣的用途，大部分系統(tǒng)都可以用當(dāng)?shù)夭牧现瞥?，而不是必須預(yù)先制作。