餘熱發電技術

在桑迪亞國家實驗室開發的一種微型硅基器件可以將廢熱轉化為電能。整流天線，採用普通的鋁、硅和二氧化硅製成，使用集成電路工業的標準工藝。

直接將電能轉換為熱是容易的。它經常發生在你的烤麵包機，也就是說，如果你經常烤麵包。相反，將熱量轉化為電能並不容易。

桑迪亞國家實驗室的研究人員開發了一種微型硅基設備，可以利用以前稱為廢熱的設備，並將其轉化為直流電。他們的進展最近發表在《物理評論應用Physical Review Applied》雜誌上。

「我們已經開發出一種從廢熱中基本回收能量的新方法。汽車引擎產生大量的熱量，熱量只是浪費，對吧？想像一下，如果你能把發動機的熱量轉換成混合動力汽車的電能。這是朝著這個方向邁出的第一步，但需要做更多的工作，」物理學家兼該項研究的主要研究者Paul Davids說。

「在短期內，我們正在尋找一種緊湊的紅外電源，也許取代放射性同位素熱電發電機。」被稱為RTGS，這是一種傳統的發電機，在太陽能電池板沒有得到足夠的直射陽光發電時，作為為空間站的感測器的供電。

Davids裝置是由普通的和豐富的材料製成的，例如鋁、硅和二氧化硅或玻璃以非常罕見的方式結合。

硅器件捕獲、通道和熱轉換為功率

這個裝置比一個小釘子小，大約1/8英寸長1/8英寸，厚一角，金屬光澤。頂部是鋁，蝕刻的條紋大約是人類頭髮寬度的20倍。這種模式，雖然太小，看不到眼睛，作為一個天線，以捕捉紅外輻射。

在鋁頂部和硅底部之間是非常薄的二氧化硅層。這層約20個硅原子厚，或比人類頭髮薄16000倍。圖案化和蝕刻鋁天線將紅外輻射傳導到該薄層中。

被困在二氧化硅中的紅外輻射產生非常快的電振蕩，大約每秒50兆次。這將電子以不對稱的方式在鋁和硅之間來回移動。這個過程，叫做整流，產生凈直流電流。

該小組稱其設備為紅外整流天線，一種整流天線。它是一種無運動部件的固態裝置，它能堵塞、彎曲或斷裂，並且不必直接接觸熱源，這會引起熱應力。

紅外精餾生產採用通用的可擴展工藝

因為該團隊用集成電路工業所使用的相同工藝製造紅外整流天線，它很容易升級，電氣工程師Joshua Shank說，他還是該論文的第一作者，他在桑迪亞博士後的時候測試了設備並模擬了底層物理。

他補充說：「我們刻意關注可擴展的通用材料和過程。理論上，任何商業集成電路製造設施都可以製造這些整流電路。」

領導開發的製造工程師Rob Jarecki說：「這並不是說創建當前設備是容易的。引擎蓋下有巨大的複雜性，設備需要各種處理技巧來建造它們。」

最大的製造挑戰之一是將少量其他元素插入到硅中，或者摻雜硅，這樣它會反射紅外線，就像金屬一樣，Jarecki說。「通常情況下，你不會把硅塗死，你不會試圖把它變成金屬，因為你有金屬。在這種情況下，我們需要它儘可能多地摻雜而不破壞材料。」

這些設備是在桑迪亞的微系統工程、科學和應用複合材料製造實驗室完成的。該小組已經發布了紅外整流器專利，並申請了多項專利。

在《物理評論》雜誌中，研究人員報道了紅外整流天線的版本從840攝氏度的專門的熱燈產生每平方厘米8毫瓦的功率。就研究背景來說，一個典型的太陽能計算器使用大約5微瓦，所以他們需要一張比標準紙張稍大的紅外計算器來為計算器供電。因此，團隊有許多想法，為未來的改進，使紅外整流更有效。

提高紅外光譜效率的研究進展

這些想法包括使材料頂部圖案呈現2D而不是1D條紋，以吸收所有極化的紅外光；重新設計整流層為全波整流器而不是電流半波整流器；並且在較薄的硅襯底上製作紅外整流天線。在晶片上，以最小化由於電阻引起的功率損耗。

通過改進設計和更大的轉換效率，每單位面積的功率輸出將增加。Davids認為，在五年內，紅外整流可以是一個很好的替代放射性同位素熱電發電機的緊湊型電源。

Shank說：「我們需要繼續改進，以便與放射性同位素熱電發電機相媲美，但是硅整流二極體天線對於任何需要長期可靠工作的地方來說是有用的，在那裡你不能進去，只需要更換電池。然而，我們不會成為太陽能板作為電網規模能源的替代品，至少在短期內不會。

Davids補充說：「我們一直在解決這個問題，現在我們開始看到我們在電力轉換方面取得了相當大的收益，我認為有一條路徑可以替代熱電材料。」到達這一點感覺很好。如果我們能擴大規模，改變世界，那就太好了。」

來源：https://phys.org/news/2018-07-electrical-power.html

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