纳米薄膜可将废热转化为能量学术资讯

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▲薄膜系统将废热转化为能量的示意图。

在美国，每年大约有70%的能源被电脑、汽车或者工厂以热能（＜100℃）的形式浪费掉。4月16日出版的《自然-材料》称，在陆军研究办公室和国家科学基金会的资助下，加州大学伯克利分校的工程师们开发出了一种薄膜系统，可以应用于上述废热源，以提高能源的利用率。

这种薄膜系统是根据热电能转换原理制造的。加州大学的工程师证实，该原理对于转换低于100℃的废热能（低质废热）非常有效。与诸多热-能转换系统类似，热电能转换在热力学循环条件下可达到最佳工作状态。某种意义上讲，它与汽车发动机的工作情况有些相似。与发动机的不同之处在于，热电能转换系统可在固态时实现废热向电能的转换。该纳米薄膜技术对于高速电子设备中的废热收集非常有效，但其应用对象可能不仅局限于此。工程师们称，对于波动热源，薄膜系统转化废热时的能量密度、功率密度和效率均比其他形式的热电能转换系统高。资深作者、材料科学与工程副教授Lane Martin说：“发掘新能源很重要，但当前我们更需要充分利用已有的能源。薄膜系统可以帮助我们从现有能源中‘挤出’更多可用能源。”

尽管对热电能的研究已有一段历史，但准确测量薄膜热电系统的特性仍然是一项挑战。Martin团队首先合成了一种薄膜（厚度为50~100 nm），然后与伯克利分校机械工程副教授Chris Dames团队合作，组装并测试了薄膜热电系统的性能。该系统可使工程师们在同时测定温度、电流和热源等参数的条件下，评估装置的发电能力。Martin说：“通过薄膜装置，我们就能实现热能的快速输入和输出，从而获取超乎想象的热电能。整个系统非常简单，我们只需要寻找热源，安装系统，加入电场，就能获取能源了。”实验中，热电能转换系统创作了若干新纪录——能源密度为1.06J/cm3，功率密度为526W/cm3，效率为19%卡诺效率。

未来，工程师们将优化薄膜的材料，使其能应用于特定的废热和温度。

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编译：雷鑫宇审稿：alone 编辑：程建兰

来源：https://phys.org/news/2018-04-thin-electronics-energy.html