Ученые ДВФУ, ДВО РАН и Китая создали генератор для круглосуточного сбора термоэлектрической энергии

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, но есть сложность: перепад температур нужно поддерживать постоянно.

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. Ее поверхность покрыта массивом острых микроконусов, вдохновленных структурой глаза ночной бабочки. Такая микроструктура, за счет своих антиотражающих свойств, увеличивает эффективность преобразования падающего на панель солнечного света в тепло. В экспериментах микроструктурированный кремний поглощал до 95% солнечного света и в ходе уличных испытаний нагревался существенно выше температуры окружающего воздуха.

Вторая пластина из диоксида кремния также имеет микроструктуру — массив усеченных микроконусов. Такая пластина слабо поглощает солнечный свет, но имеет высокое поглощение в инфракрасном диапазоне 8–13 мкм, который называют атмосферным окном прозрачности. Через этот диапазон тепловое излучение может уходить в окружающее пространство, что обеспечивает пассивное охлаждение поверхности.

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.

Все научные открытия возможны благодаря постоянно развивающейся инфраструктуре кампуса ДВФУ. В 2024 году по отдельному поручению президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать новый комплекс общежитий на 4000 человек. По поручению президента в стране создается целая сеть современных кампусов. К 2030 году появится созвездие из 25 новых кампусов университетов. Работу по данному направлению ведет Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.

Результаты работы опубликованы в журнале Nano Research

Источник: Минобрнауки России

Источник