DOE開發(fā)微型設備將廢熱轉換為直流電源

研究人員開發(fā)了一種小型硅基器件，可將電子器件散發(fā)的廢熱轉化為電源。將從電子設備消散的熱量轉換為可用功率是能量收集設計師的一種圣杯。畢竟，這將使這些設備 - 甚至是電動汽車 - 成為他們自己的動力源?，F(xiàn)在，能源部(DOE)桑迪亞國家實驗室的研究人員似乎更接近于實現(xiàn)這一目標，開發(fā)了一種可以將所謂的廢熱轉化為直流電的微型硅基器件。

該裝置 - 小于1/8英寸×1/8英寸的小拇指指甲 - 包括普通和豐富的材料，例如鋁，硅和二氧化硅或玻璃。在Sandia新聞發(fā)布會上，實驗室的物理學家兼該研究的首席研究員Paul Davids指出，它們以非常罕見的方式結合在一起。

該設備功能的關鍵是頂部，它由鋁制成，并且蝕刻有條紋，比人類頭發(fā)的寬度小約20倍。戴維斯說，它們可以作為捕捉紅外輻射的天線。最終，這種裝置可用于將類似汽車的東西 - 其發(fā)動機發(fā)出大量熱量 - 變成自持能源。

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“汽車發(fā)動機產(chǎn)生大量熱量，熱量只是浪費，對嗎?”戴維斯說。“想象一下，如果你能將發(fā)動機的熱量轉換成混合動力汽車的電力。這是朝這個方向邁出的第一步，但還需要做更多的工作。“研究人員在物理評論應用雜志上發(fā)表了一篇關于他們工作的論文。

設備為紅外“整流天線”，簡稱“整流天線”。該設備為固態(tài) - 沒有可能卡住，彎曲或折斷的活動部件。它也不會直接接觸熱源，這可能會導致熱應力。

在整個天線的鋁頂部和硅底部之間是一層非常薄的二氧化硅層，厚度約為20個硅原子，比人類頭發(fā)薄16,000倍。戴維斯說，這種鋁制天線 - 在其上刻有圖案 - 利用它捕獲的紅外輻射并將其引入這個薄層。

一旦被捕獲在二氧化硅中，輻射產(chǎn)生非?？斓碾娬袷?- 大約每秒50萬億次，其以不對稱的方式在鋁和硅之間來回推動電子。他說，這個過程稱為整流，它是產(chǎn)生凈直流電流的原因。

“在短期內，我們正在尋求制造緊湊型紅外線電源，或許可以取代放射性同位素熱電發(fā)電機，”戴維斯在桑迪亞的發(fā)布中解釋道。這些發(fā)電機被稱為RTG，用于為太空任務提供動力傳感器，這些任務沒有足夠的直射陽光來為太陽能電池板供電。

研究人員在桑迪亞微系統(tǒng)工程，科學和應用綜合體中制造了這些設備。該團隊已經(jīng)獲得了紅外整流天線的專利，并已為其相關技術申請了多項專利。

未來的可能性

盡管該設備的開發(fā)并非沒有挑戰(zhàn)，但研究人員表示，制造整流天線的過程是可擴展的，因為它使用了通用材料和集成電路行業(yè)已經(jīng)使用的相同工藝。美國能源部的研究人員計劃繼續(xù)改進設備，包括改變整流天線的3D頂層圖案而不是1D條紋，以便吸收所有極化的紅外光。

他們的目標是將整流層重新設計為全波整流器，而不是當前的半波整流器。通過在較薄的硅晶片上制作紅外整流天線，它們還可以最小化由于電阻引起的功率損耗。

憑借改進的設計和更高的轉換效率，研究人員相信設備的每單位面積的功率輸出將會增加。這意味著，在五年內，紅外整流天線可能是緊湊型電源RTG的良好替代品，Davids說。

“我們一直在努力解決這個問題，現(xiàn)在我們已經(jīng)開始達到能夠實現(xiàn)功率轉換相對較大增長的程度。我認為有一條前進的道路可以替代熱電，“他說。“達到這一點感覺很好。如果我們能夠擴大規(guī)模并改變世界，那就太棒了。“