加利福尼亞大學伯克利分校的工程師開發出了一種納米薄膜系統，可以將這種系統應用於這種廢熱源，從而以這種技術史無前例的水平產生電能。
每年在美國生產的能源中，近70％被浪費掉。大部分的熱量都低於100攝氏度，並且多產生於諸如電腦、汽車或大型工業過程等來源。加利福尼亞大學伯克利分校的工程師開發出了一種薄膜系統，可以將這種系統應用於這種廢熱源，從而以這種技術史無前例的水平產生能量。
該薄膜系統使用了一種叫做熱釋電轉換的過程，工程師們的新研究表明，這種技術非常適合於100攝氏度以下的熱能供應，稱為低質廢熱。熱釋電轉換就像許多把熱能轉化為能量的系統一樣，利用熱力學循環最有效，類似於汽車發動機的工作原理。但與汽車發動機不同，熱釋電轉換可以在固體狀態下完全實現，沒有移動部件，因為它將廢熱轉化為電能。
新的研究結果表明，這種納米薄膜技術可能對安裝和收集高速電子產品的廢熱特別有吸引力，但可能有很大的應用範圍。對於波動的熱源，研究報告指出，與其他形式的熱釋電能量轉換相比，薄膜可以將更多能量密度、功率密度和效率水平的廢熱轉化為可用能量。
材料科學與工程副教授L ane Martin說：「我們知道我們需要新能源，但我們還需要在利用我們已有的能源方面做得更好，這些薄膜可以幫助我們擠出比我們今天所獲得的更多能源。」
這項研究於4月16日在Nature Materials雜誌上發表。這項研究部分得到陸軍研究辦公室和國家科學基金會的資助。
熱釋電行為早已被人們所知，但準確測量熱釋電系統的薄膜性能仍然是一個挑戰。這項新研究的一個重要貢獻是提高熱釋電物理的理解。
Martin的研究團隊合成了厚度僅為50-100納米的薄膜，然後與伯克利機械工程副教授Chris Dames一起製作並測試了基於這些薄膜的熱電裝置結構。這些結構允許工程師同時測量所產生的溫度和電流，並利用熱量來測試設備的發電能力， 所有這些都在厚度小於100納米的薄膜上進行。
Martin說：「通過創建一個薄膜器件，我們可以快速地從系統中獲得熱量，從而使我們能夠以前所未有的水平訪問訪問熱電源。我們所做的就是在這個系統中利用熱能和電場，我們可以提取能量。」
本研究報告轉換能量密度的熱釋電能源的新紀錄（1.06焦耳/立方厘米），功率密度（526瓦/立方厘米）和效率（卡諾效率，19%是對熱機的效率標準度量單位）。
這一系列研究的下一步將是更好地將薄膜材料優化為特定的廢熱流和溫度。
來源：University of California - Berkeley
文獻信息：Shishir Pandya et al, Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films, Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0059-8
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