可穿戴的太陽能熱電發電機:效率更高!

2021-01-15 環球創新智慧

導讀

最近，韓國蔚山國立科技大學（UNIST）材料科學和工程學院的教授 Kyoung Jin Choi 領導開發出一種先進的新型能量採集系統，它能夠通過簡單地與衣物、窗戶和建築物牆壁接觸而產生能量。

關鍵字

自供電、溫差電、可穿戴

背景

自供電技術，為突破可穿戴電子產品的電池這一關鍵瓶頸，提供了一個非常有前景的創新方案。筆者曾經介紹過多個自供電相關的創新方案，特別是在《新型柔性可穿戴熱電發電機：效率更高、性能更好！》一文中，介紹過溫差發電的方式，利用人體熱量實現自供電。

然而，要實現可穿戴設備的溫差發電，必然離不開一個關鍵設備："熱電發電機"(TEGs)，它能持續地利用身體與周圍環境之間的溫差發電。

創新

今天，我要介紹的創新技術成果仍然是與TEGs相關。最近，由韓國蔚山國立科技大學（UNIST）材料科學和工程學院的教授 Kyoung Jin Choi 領導的一項研究，引進了一種先進的新型能量採集系統，它能夠通過簡單地與衣物、窗戶和建築物牆壁接觸而產生能量。

這種新型設備的原理是基於冷熱兩側之間的溫差。溫差可以增高到 20.9 °C，這比由體溫驅動的可穿戴熱電發電機的 1.5 °C 到 4.1 °C 之間的典型溫差要高很多。研究團隊期望他們的可穿戴太陽能熱電發電機能為通過提高溫差進一步提高效率，提供一種有前途的方案。

技術

能量採集是一個結合許多技術的多樣化領域，其中包含了一種採集少量能量的過程，這些能量可能會以熱、光、聲、振動或者運動的形式消耗掉。熱電發電機（TEGs）是指一種能夠將廢熱，例如太陽能、地熱能、身體熱量，轉化為額外電力的設備。

目前，利用人體和周圍環境之間溫差的可穿戴熱電（TE）發電機的相關研究取得了顯著進展。可是，由身體熱量驅動的可穿戴TEG技術一個重要缺陷就是：溫度差異只有 1 ~ 4 ℃，這阻礙了其進一步商業化。

研究團隊通過引入一種位於PI基底上的局部太陽能吸收器，解決傳統的可穿戴TEGs所面臨的溫差問題。這種太陽能吸收器是一種五代（ five-period） Ti/MgF2 超點陣，其中每一層的結構和厚度設計都是為了優化太陽光的吸收。它可以將溫差提高到20.9 °C，這是迄今為止所報導的所有的可穿戴TEGs的最高值。

在這項技術中，Choi 教授和他的團隊通過在聚醯亞胺（PI）基底上，集成了一種柔性的、基於BiTe 的熱電腿以及亞微米厚度的太陽能吸收器，設計出一種新型可穿戴的熱電發電機（W-STEG）。熱電腿通過一種由機械合金化的BiTe基粉末和 Sb2Te3 基的助燒劑分散在甘油裡的油墨組成。當暴露於太陽光下的時候，這種包含了10對p-n 腿的 W-STEG，具有55.15 mV 的開路電壓以及 4.44 μW 的輸出功率。

價值

UNIST 材料科學與工程研究生院的 Yeon Soo Jung 說：

「通過這項研究，我們保證了一種十倍於傳統的可穿戴太陽能熱電發電機的溫差。因為熱電發電機的輸出與溫差的平方根成正比，我們可以在這項技術的幫助下顯著提高輸出。」

Choi 教授表示：

「我們的新型STEG有望應用於多個領域，例如自供電的可穿戴電子設備。它也可以作為未來進一步提高可穿戴技術市場的催化劑。」

參考資料

【1】http://news.unist.ac.kr/unist-researchers-develop-wearable-solar-thermoelectric-generator/

【2】Yeon Soo Jung et al., 「Wearable solar thermoelectric generator driven by unprecedentedly high temperature difference.」 Nano Energy, (2017). http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.08.061

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