DOE開發(fā)微型設(shè)備將廢熱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電源。將從電子設(shè)備消散的熱量轉(zhuǎn)換為可用功率是能量收集設(shè)計師的一種圣杯。畢竟，這將使這些設(shè)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(biāo)，開發(fā)了一種可以將所謂的廢熱轉(zhuǎn)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(xué)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(jié)合在一起。

該設(shè)備功能的關(guān)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(jī)發(fā)出大量熱量 - 變成自持能源。

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“汽車發(fā)動機(jī)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(jī)的熱量轉(zhuǎn)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(yīng)用雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

設(shè)備為紅外“整流天線”，簡稱“整流天線”。該設(shè)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(dǎo)致熱應(yīng)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(nèi)，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?zé)犭姲l(fā)電機(jī)，”戴維斯在桑迪亞的發(fā)布中解釋道。這些發(fā)電機(jī)被稱為RTG，用于為太空任務(wù)提供動力傳感器，這些任務(wù)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(xué)和應(yīng)用綜合體中制造了這些設(shè)備。該團(tuán)隊已經(jīng)獲得了紅外整流天線的專利，并已為其相關(guān)技術(shù)申請了多項專利。

未來的可能性

盡管該設(shè)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(kuò)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(jìn)設(shè)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(biāo)是將整流層重新設(shè)計為全波整流器，而不是當(dāng)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(jìn)的設(shè)計和更高的轉(zhuǎn)換效率，研究人員相信設(shè)備的每單位面積的功率輸出將會增加。這意味著，在五年內(nèi)，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(dá)到能夠?qū)崿F(xiàn)功率轉(zhuǎn)換相對較大增長的程度。我認(rèn)為有一條前進(jìn)的道路可以替代熱電，“他說。“達(dá)到這一點感覺很好。如果我們能夠擴(kuò)大規(guī)模并改變世界，那就太棒了。“