(Phys.org)—Idén med att skörda omgivande energi från miljön som annars inte skulle användas målmedvetet är, i teorin, ett bra sätt att producera grönt, förnybar energi. Men det största problemet inom detta ganska nya forskningsområde är att forskarna ännu inte har hittat en metod som kan skörda mycket stora mängder energi. Dock, tekniken förbättras stadigt, vilket framgår av utvecklingen av en nanogenerator som delvis kan ladda ett litiumjonbatteri genom att hämta energi från temperaturfluktuationer i miljön.

Forskarna, Ya Yang och Sihong Wang från Georgia Institute of Technology i Atlanta, Yan Zhang från Georgia Institute of Technology och Chinese Academy of Sciences i Peking, och Zhong Lin Wang från båda institutionerna, har publicerat en artikel om en pyroelektrisk nanogenerator i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

Forskarna kallar enheten en pyroelektrisk nanogenerator (PENG) eftersom den är baserad på den pyroelektriska effekten, där ett anisotropt materials polarisation förändras som svar på temperaturfluktuationer, som kan användas för att skörda värmeenergi. Till skillnad från Seebeck-effekten, som används för att skörda termisk energi baserat på temperaturskillnaden mellan två ändar av en enhet, den pyroelektriska effekten uppstår i miljöer där temperaturen är rumsligt enhetlig men förändras över tiden.

"Slöseri med värme är en rik energikälla som kan skördas, " berättade Zhong Lin Wang Phys.org . "2010, till exempel, mer än 50 procent av energin som genererades från alla källor i USA gick förlorad främst i form av bortkastad värme, vilket ger oss en stor möjlighet att skörda denna typ av energi med hjälp av nanoteknik. Att skörda termoelektrisk energi bygger huvudsakligen på Seebeck-effekten, som utnyttjar en temperaturskillnad mellan två ändar av anordningen för att driva diffusionen av laddningsbärare. Närvaron av en temperaturgradient är ett måste för den konventionella termoelektriska cellen. Dock, i en miljö där temperaturen är rumsligt enhetlig utan en gradient, som utomhus i vårt dagliga liv, Seebeck-effekten är knappast användbar för att skörda termisk energi som härrör från en tidsberoende temperaturfluktuation. I detta fall, den pyroelektriska effekten är valet, som handlar om den spontana polariseringen i vissa anisotropa fasta ämnen som ett resultat av temperaturfluktuationer, men det finns få studier om att använda den pyroelektriska effekten för att skörda termisk energi."

Hittills, PENGs har haft utgångsspänningar under 0,1 V och ström under 1 nA, som är för låga för att driva kommersiell elektronik. Här, forskarna visade att en PENG gjord av en blyzirkonattitanat (PZT) tunn film har en utspänning på upp till 22 V, en strömtopp på 430 nA, och en strömtäthet av 171 nA/cm ² när den utsätts för en temperaturförändring på 45 K med en hastighet av 0,2 K/sekund. Den tunna PZT-filmen är 21 mm lång, 12 mm bred, och 175 μm tjock – ungefär hälften så stor som ett frimärke.

Med dessa förbättringar i spänning och ström, en enda utgångspuls från PENG kan kontinuerligt driva en LCD-skärm i mer än 60 sekunder; i jämförelse, en piezoelektrisk nanogenerator, som skördar mekanisk energi från miljön, kan driva en LCD-skärm i cirka 2 sekunder.

För att utöka de potentiella tillämpningarna av PENG, forskarna ville lagra den elektriska energi som den genererade från temperaturfluktuationer. Så de kopplade upp den till ett litiumjonbatteri, och visade att PENG kunde ladda batteriet från 650 till 810 mV på cirka 3 timmar. De visade sedan att denna lagrade elektriska kapacitet kunde användas för att driva en grön lysdiod i några sekunder.

En annan potentiell tillämpning av PENGs är trådlösa sensorer. Forskarna förklarade att trådlösa sensorer kan drivas av ett uppladdningsbart Li-ion-batteri med en spänning på 2,8 V. PENG som tillverkas här har för liten ström för att göra detta, eftersom strömmen inte helt kan passera batteriets inneboende självurladdning. Forskarna förutspår att en fördubbling av området för PZT-filmen skulle fördubbla strömmen, och att öka tjockleken på PZT-filmen kan också öka strömmen. Dessa förbättringar kan göra de pyroelektriska nanogeneratorerna attraktiva för att driva trådlösa sensorer, LCD-skärmar, och andra små elektroniska apparater, bara genom att skörda temperaturförändringarna i miljön.

"I vår livsmiljö, temperaturförändringar kan komma från ett luftflödesinducerat fall i rumstemperatur, den cyklade värmegenereringen nära en motor, solljusbelysning med en rörlig skugga, på och av varmvatten/luftflöde i ett rör, etc." sa Zhong Lin Wang.

För närvarande, forskarna fortsätter att förbättra PENG:s uteffekt och integrerar även tekniken med några befintliga produkter för att demonstrera dess praktiska tillämpningar.

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.