Исследователи Дальневосточного федерального университета, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и китайских научных центров создали устройство для получения электроэнергии за счет разницы температур. Его основой стал термоэлектрический генератор, который днем использует солнечный свет для нагрева одной стороны, а ночью сохраняет работу благодаря охлаждению другой поверхности.
Разработка не относится к бестопливным генераторам в привычном смысле и не заменяет электростанцию большой мощности. Речь идет о сборе небольшого количества электричества для автономных датчиков и малой электроники. Главный результат работы состоит в том, что ученые показали способ поддерживать температурный перепад без активной системы охлаждения и внешнего питания.
Создан генератор для круглосуточного сбора энергии: что внутри устройства
Термоэлектрический генератор превращает разницу температур в электрический отклик. Когда одна его сторона теплее другой, в системе возникает ток. Сложность такой схемы состоит не в самом преобразовании тепла в электричество, а в устойчивом сохранении перепада температур в течение суток.
Авторы разместили генератор в центре конструкции и присоединили к нему с двух сторон специальные микроструктурированные пластины. Каждая часть выполняет отдельную функцию:
- первая кремниевая пластина принимает солнечную энергию и преобразует ее в тепло;
- вторая пластина из диоксида кремния отводит тепловое излучение в окружающее пространство;
- термоэлектрический модуль использует разницу температур для получения электроэнергии.
Такое разделение функций позволило объединить в одном устройстве фототермическое преобразование и пассивное радиационное охлаждение. Для конструктора здесь важна не только принципиальная электрическая схема, но и геометрия рабочих поверхностей: оптические свойства пластин задает именно микроструктура.
Как работают микроконусы из кремния и диоксида кремния
Нагревающуюся пластину изготовили из кремния и покрыли массивом острых микроконусов. Их структура повторяет принцип строения глаза ночной бабочки. Антиотражающая поверхность увеличивает поглощение падающего солнечного света: в экспериментах микроструктурированный кремний поглощал до 95% света. Во время уличных испытаний он нагревался существенно выше температуры окружающего воздуха.
Охлаждающая пластина состоит из диоксида кремния и массива усеченных микроконусов. Она слабо поглощает солнечный свет, но активно поглощает излучение в инфракрасном диапазоне 8–13 мкм. Этот диапазон называют атмосферным окном прозрачности. Через него тепло может уходить в окружающее пространство, а поверхность охлаждается без двигателя, вентилятора или другой активной системы.
Что происходит после захода солнца? Солнечный нагрев прекращается, но одна из поверхностей продолжает отдавать тепло, поэтому генератор не останавливается. Это отличает конструкцию от устройств, которые могут работать только при прямом освещении.
Испытания в разные сезоны и перспективы конструкции
Устройство проверили в разные сезоны. Максимальные показатели оно показало летом, когда солнечного света больше. Весной и осенью результаты оказались ниже, зимой были минимальными. Ночная генерация при этом сохранялась за счет охлаждения одной из поверхностей.
«Ключевой результат работы состоит в экспериментальной демонстрации интеграции двух концепций, фототермического преобразования и пассивного радиационного охлаждения, в едином термоэлектрическом генераторе», сообщил соавтор исследования, сотрудник ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН Александр Кучмижак.
По словам Александра Кучмижака, эффективные микроструктурированные покрытия создают основу для масштабирования и оптимизации термоэлектрических устройств. В первую очередь такой альтернативный источник энергии может найти применение там, где нужно получать электричество без сложного охлаждения: в автономных датчиках и малой электронике.
Два российских подхода к ночной выработке электричества
НИУ «МЭИ» разработал другой вид солнечной энергетической системы. Это солнечная электростанция с двумя блоками зеркал-гелиостатов и накопителями тепла. Днем один блок производит пар для турбины, а второй нагревает расплавленную соль до 565 °C. Ночью теплообменник снова превращает воду в пар, после чего турбина продолжает вырабатывать электричество.
| Параметр | Термоэлектрический генератор ДВФУ | Солнечная электростанция НИУ «МЭИ» |
|---|---|---|
| Рабочий принцип | Разница температур между двумя микроструктурированными пластинами | Накопление тепла в расплавленной соли и пар для турбины |
| Ночная работа | За счет пассивного охлаждения поверхности | Почти 9 часов за счет накопленного тепла |
| Назначение | Автономные датчики и малая электроника | Круглосуточная выработка энергии |
| Заявленные показатели | Поглощение до 95% солнечного света нагревающей пластиной | КПД до 32%, на 7,4% выше мировых аналогов; годовая выработка больше примерно на 15% |
Проект НИУ «МЭИ» разработали под руководством профессора кафедры гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии Руслана Цгоева. Обе разработки решают одну задачу, но разными способами: первая работает с малым температурным перепадом в компактном устройстве, вторая использует зеркала, тепловой накопитель, теплообменник и турбину.
Зарубежные исследования: хранение солнечного тепла и микроэлектроника
Шведские и сингапурские ученые также соединили систему хранения солнечной тепловой энергии с миниатюрным термоэлектрическим генератором. В ее основе лежит специально разработанная молекула из углерода, водорода и азота. Под воздействием солнечного света она меняет структуру, а затем может храниться в жидком виде.
Исследователи сообщили, что модифицировали систему для хранения энергии на срок до 18 лет. Когда нужен источник тепла, катализатор возвращает молекулу в исходную форму и высвобождает энергию. Получившийся генератор выполнен в виде сверхтонкого микрочипа, который потенциально можно использовать в наушниках, часах или телефонах. Пока он производит небольшое количество энергии.
Российская работа ДВФУ опубликована в журнале «Нано Рисёрч». В исследовании участвовали специалисты Харбинского технологического института, Ляонинской академии материалов, ДВФУ, ИАПУ ДВО РАН и других научных организаций.
Частые вопросы
За счет чего генератор ДВФУ получает электричество ночью?
Ночью устройство продолжает работать за счет охлаждения одной из поверхностей, которое поддерживает разницу температур на термоэлектрическом генераторе.
Какие материалы использовали в конструкции генератора?
Нагревающую пластину выполнили из кремния с острыми микроконусами, а охлаждающую изготовили из диоксида кремния с усеченными микроконусами.
Сколько солнечного света поглощает кремниевая пластина?
В экспериментах микроструктурированный кремний поглощал до 95% солнечного света.
Для каких устройств подходит такой источник электроэнергии?
Авторы указывают на автономные датчики и малую электронику, которым нужно получать энергию без сложной системы охлаждения и внешнего питания.
Как солнечная электростанция НИУ «МЭИ» работает после захода солнца?
Накопленное в расплавленной соли тепло через теплообменник превращает воду в пар, после чего турбина продолжает вырабатывать электричество почти девять часов.
Где опубликованы результаты работы ДВФУ?
Результаты исследования опубликованы в журнале «Нано Рисёрч».
Позиция экспертов Реестр Гарант
Команда «Реестр Гарант» отмечает инженерную ценность конструкции ДВФУ: работоспособность обеспечивают не активные узлы охлаждения, а материалы и микроструктура двух функциональных пластин. Для дальнейшей оптимизации такого устройства критичны согласование характеристик кремниевой и диоксид-кремниевой поверхностей с термоэлектрическим генератором и подтверждение работы в сезонных испытаниях.