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.
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.
Ключевая особенность классических термогенераторов заключается в необходимости поддерживать постоянную разность температур между горячей и холодной сторонами – без этого ток прекращается. Именно эту проблему отечественным и зарубежным учёным удалось решить. Ученые предложили конструкцию с двумя функциональными сторонами: одна нагревается, другая охлаждается. В центре расположен термоэлектрический генератор, к которому с двух сторон присоединены специальные микроструктурированные пластины.
Первая пластина выполнена из кремния и покрыта плотным массивом микроскопических конусов с острой вершиной. Архитектура этого слоя была позаимствована у природных объектов – она повторяет строение фасеточных глаз ночных бабочек, обладающих выраженным антибликовым эффектом. Благодаря такой текстуре поверхность поглощает до 95% солнечного излучения и трансформирует его в тепловую энергию. В ходе натурных испытаний на открытом воздухе температура этой стороны генератора стабильно превышала показатели окружающей атмосферы.
Второй элемент состоит из диоксида кремния и выполняет противоположную функцию: он служит пассивным излучателем, позволяя теплу покидать систему через инфракрасное излучение в атмосферу. Таким образом достигается естественное охлаждение без привлечения дополнительных энергозатратных механизмов.
«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», – отметил соавтор исследования, сотрудник ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН Александр Кучмижак.
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», – подчеркнул Александр Кучмижак.
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.