(Phys.org) - Het idee om omgevingsenergie uit de omgeving te oogsten die anders niet doelbewust zou worden gebruikt, is, in theorie, een geweldige manier om groen te produceren, hernieuwbare energie. Maar het grootste probleem in dit vrij nieuwe onderzoeksgebied is dat wetenschappers nog geen methode hebben gevonden die zeer grote hoeveelheden energie kan oogsten. Echter, de technologie wordt steeds beter, zoals aangetoond door de ontwikkeling van een nanogenerator die een Li-ionbatterij gedeeltelijk kan opladen door energie te halen uit temperatuurschommelingen in de omgeving.

De wetenschappers, Ya Yang en Sihong Wang van het Georgia Institute of Technology in Atlanta, Yan Zhang van het Georgia Institute of Technology en de Chinese Academy of Sciences in Peking, en Zhong Lin Wang van beide instellingen, hebben een artikel gepubliceerd over een pyro-elektrische nanogenerator in een recent nummer van: Nano-letters .

De wetenschappers noemen het apparaat een pyro-elektrische nanogenerator (PENG) omdat het gebaseerd is op het pyro-elektrische effect. waarin de polarisatie van een anisotroop materiaal verandert als reactie op temperatuurschommelingen, waarmee thermische energie kan worden gewonnen. In tegenstelling tot het Seebeck-effect, die wordt gebruikt om thermische energie te oogsten op basis van het temperatuurverschil tussen twee uiteinden van een apparaat, het pyro-elektrische effect treedt op in omgevingen waar de temperatuur ruimtelijk uniform is, maar in de loop van de tijd verandert.

"Verspilde warmte is een rijke energiebron die kan worden geoogst, "Zhong Lin Wang vertelde" Phys.org . "In 2010, bijvoorbeeld, meer dan 50 procent van de opgewekte energie uit alle bronnen in de VS ging voornamelijk verloren in de vorm van verspilde warmte, wat ons een geweldige kans biedt om dit soort energie te oogsten met behulp van nanotechnologie. Het oogsten van thermo-elektrische energie is voornamelijk afhankelijk van het Seebeck-effect, die gebruik maakt van een temperatuurverschil tussen twee uiteinden van de inrichting voor het aandrijven van de diffusie van ladingsdragers. De aanwezigheid van een temperatuurgradiënt is een must voor de conventionele thermo-elektrische cel. Echter, in een omgeving waar de temperatuur ruimtelijk uniform is zonder gradiënt, zoals het buitenleven in ons dagelijks leven, het Seebeck-effect is nauwelijks bruikbaar voor het oogsten van thermische energie die voortkomt uit een tijdsafhankelijke temperatuurschommeling. In dit geval, het pyro-elektrische effect is de keuze, dat gaat over de spontane polarisatie in bepaalde anisotrope vaste stoffen als gevolg van temperatuurschommelingen, maar er zijn weinig studies over het gebruik van het pyro-elektrische effect voor het oogsten van thermische energie."

Daten, PENG's hebben uitgangsspanningen van minder dan 0,1 V en een stroom van minder dan 1 nA, die te laag zijn om commerciële elektronica aan te drijven. Hier, de onderzoekers toonden aan dat een PENG gemaakt van een dunne film van loodzirkonaattitanaat (PZT) een uitgangsspanning heeft tot 22 V, een stroompiek van 430 nA, en een stroomdichtheid van 171 nA/cm ² bij blootstelling aan een temperatuurverandering van 45 K met een snelheid van 0,2 K/seconde. De PZT dunne film is 21 mm lang, 12 mm breed, en 175 m dik - ongeveer de helft van de grootte van een postzegel.

Met deze verbeteringen in spanning en stroom, een enkele uitgangspuls van de PENG kan een LCD continu langer dan 60 seconden van stroom voorzien; in vergelijking, een piëzo-elektrische nanogenerator, die mechanische energie uit de omgeving haalt, kan een LCD ongeveer 2 seconden van stroom voorzien.

Om de mogelijke toepassingen van de PENG uit te breiden, de onderzoekers wilden de elektrische energie opslaan die het uit temperatuurschommelingen opwekte. Dus sloten ze het aan op een Li-ion knoopcelbatterij, en toonde aan dat de PENG de batterij in ongeveer 3 uur van 650 tot 810 mV kon opladen. Vervolgens toonden ze aan dat deze opgeslagen elektrische capaciteit kan worden gebruikt om een ​​groene LED een paar seconden van stroom te voorzien.

Een andere mogelijke toepassing van PENG's zijn draadloze sensoren. De onderzoekers legden uit dat draadloze sensoren kunnen worden gevoed door een oplaadbare Li-ion-batterij met een spanning van 2,8 V. de hier gefabriceerde PENG heeft een te kleine stroom om dit te doen, aangezien de stroom de inherente zelfontlading van de batterij niet volledig kan inhalen. De onderzoekers voorspellen dat een verdubbeling van het oppervlak van de PZT-film de stroom zou verdubbelen, en het vergroten van de dikte van de PZT-film kan ook de stroom verhogen. Deze verbeteringen kunnen de pyro-elektrische nanogeneratoren aantrekkelijk maken voor het aansturen van draadloze sensoren, LCD's, en andere kleine elektronische apparaten, gewoon door de temperatuurveranderingen in de omgeving te oogsten.

“In onze leefomgeving temperatuurverandering kan het gevolg zijn van een door de luchtstroom veroorzaakte daling van de kamertemperatuur, de cyclische warmteontwikkeling in de buurt van een motor, zonlicht verlichting met een bewegende schaduw, aan en uit warmwater-/luchtstroom in een leiding, enz." zei Zhong Lin Wang.

Momenteel, de onderzoekers blijven het uitgangsvermogen van de PENG verbeteren en integreren de technologie ook met enkele bestaande producten om de praktische toepassingen ervan te demonstreren.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.