新技术可大幅提高热电转化效率

2011-5-31 08:02 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网近日报道,美国科学家利用热电效应,研发出了一种能源捕获设备,这种“能源捕手”可将工业过程中产生的废热变为电力,每年为工业生产节省数十亿美元。

  美国每年产生的能源中约有50%的能源作为废热被白白浪费。美国能源部下属橡树岭国家实验室的科学家,在斯科特·亨特的领导下研发出的这种废热转化器,能在高效冷却电子设备、光伏电池、计算机等设备的同时进行发电,节能潜力非常巨大。

  亨特团队的最新技术使用了大小约为1平方毫米的悬臂结构。该设备建立在一个能源捕获系统上。该能源捕获系统是一套微电子机械系统(MEMS)热电电容器结构。当其被加热和冷却时,会导致电流在两个方向交替流动,因此,其可以发电。在该装置内,悬臂依附于一个锚上,这个锚黏在产生废热的基座上。当基座变热时,因为其双材料效应,该悬臂也会变热并弯曲。

  亨特解释道,热悬臂的尖端接触到冷的表面时,悬臂上的热会散发出去,快速散热使悬臂弹回并再次同热表面接触,悬臂再次变冷,然后又弹回,如此循环,只要热表面和冷表面之间存在温差,悬臂就会持续散热并发电。使用这种以反应快速且会周期性循环为特征的悬臂式“能源捕手”阵列,热电材料的热电转化效率可提高至10%到30%。而几十年来,热电材料的转化效率一直徘徊在1%到5%,相关研究停滞不前。

  表面积为1平方英尺的生热设备(计算机芯片、集成光伏电池等)可容纳1000个这样的“能源捕手”。尽管每个设备产生的电力仅为1毫瓦到10毫瓦,但很多这样的设备集结而成的阵列产生的电力则非常可观,足以为远程传感系统提供电力,或为冷却这些生热系统提供帮助。

  亨特认为,这项技术可以首先被用来给高性能计算机芯片降温,帮助解决千万亿次(Petaflop)级超级计算机在运行过程中需要大量散热的问题,并同时将其中大部分热气转变成电力。