热能发电运用(《AFM》：一种新型低品位热能收集技术小温差产生可观电能)

Posted 2023-06-02

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热能发电运用(《AFM》：一种新型低品位热能收集技术小温差产生可观电能)

能源一直是社会发展和经济增长的主要驱动力之一。然而，由此带来的能源激增也导致了我们现在面临的重大环境危机。因此，必须紧急找到新的方法，以绿色技术取代化石燃料，引导我们走向一个碳中和的世界。美国最近承诺到2030年将温室气体排放量减少一半，这只会让这一必要性变得更加紧迫。因此，开发能够将低品味热能转化为电能的新能源发电技术是应对能源需求持续激增和缓解气候变化的迫切需要。

来自波尔图大学的学者展示了一种混合装置，它将摩擦电和热磁耦合起来，在室温附近存在小的温度梯度的情况下产生电能。热磁效应等可以在低于30°C的温度梯度内诱导二阶铁磁材料的周期性持续运动，然后使用低成本的摩擦电纳米发电机(TENG)将这种机械运动转化为电能。这一概念在冷侧(15°C至37°C)和热侧(60°C至90°C)的广泛工作温度范围内都证明了其适用性。实验还表明，混合TENG产生的电功率是传统磁感应驱动热磁发电机的35倍以上。研究结果表明，该方案是一种可行的热能转换技术，进一步拓展了摩擦电技术在室温热采集领域的应用。相关文章以“Hybridizing Triboelectric and Thermomagnetic Eﬀects: A Novel Low-Grade Thermal Energy Harvesting Technology”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202110288

图1.磁热摩擦电纳米发电机(TM-TENG)的结构设计和工作机理。a)详细的示意图和b)制造的带有散热片模块的TM-TENG的照片。c)TM-TENG工作机制示意图。

图2. TM-TENG 在约50 °C 的热梯度下的电输出性能。a）在约50 °C 的热梯度下，TENG 运行期间冷侧和热侧表面上的测量温度，证明了热和冷表面的温度行为（插图）的持续Gd 运动。b）TENG产生的电压峰值与数值模拟获得的Gd块的空间温度变化相关。c）弧形TENG在频率≈11 mHz时产生的开路电压，以及Gd和Cu板不同位置在加热和冷却过程中的扩展输出电压。d) 接触循环中器件中电势分布的有限元模拟。

图3. 优化三种不同的 TENG 结构以获取热能。三种不同结构的插图（左）和照片（右）：a）弧形 b）之字形和 c）平行形状的 TENG。d) 三种不同结构在约41 °C 的热梯度和约10 mHz 的频率下产生的最大开路电压、电流和功率密度。e）弧形TENG在约41°C和约10 mHz的热梯度下的电学特性。

图4. 使用不同的热梯度优化TM-TENG 的电性能。弧形 TENG 在以下范围内组装在冷侧表面时产生的电输出的依赖性：a) 冷侧温度为 15 至 37 °C，固定热侧温度约为 65 °C；b) 热端温度约为 60 至90°C，冷端温度固定约为 20°C。c) 电压、电流和功率密度作为 Gd/Cu 权重的函数。d）在不同热侧温度下，组装在热侧表面上的 TENG 的性能依赖性。

本文已经证明，当 TENG 与热磁效应相结合时，可以通过收集室温附近的小温差来产生可观的电能。本文开发和研究了三种不同结构的TENG（弧形、锯齿形和平行形），其中弧形结构在 41 °C 的恒定热梯度下实现了最高的电压、电流和功率密度（分别为~67 V、2.5 µA和17.9mW m -2）。通过在冷侧组装的弧形 TENG 改变低等级温度梯度，最大电压、电流和功率密度分别为 79 V、2.6µA 和 18 mW m-2，分别使用30 和 65 °C 的冷侧和热侧温度达到。另一方面，当弧形 TENG 组装在 Peltier 加热器表面时，在≈20 °C 的固定冷侧温度和热侧温度下产生的最大功率密度为 54.7 mW m-2温度为 65 °C。所呈现的结果表明，当与热磁效应相结合时，TENG 为低品位热能收集提供了独特的选择。这项工作清楚地表明，与传统的电磁发电机相比，TENGs 是一种利用温差和振动机械能转化为电能的高效收集装置。（文：SSC）

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