Los dispositivos termoeléctricos, que pueden generar energía cuando un lado del dispositivo tiene una temperatura diferente a la del otro, han sido objeto de mucha investigación en los últimos años. Ahora, un equipo en el MIT ha ideado una nueva forma de convertir las fluctuaciones de temperatura en energía eléctrica. En lugar de requerir dos entradas de temperatura diferentes al mismo tiempo, el nuevo sistema aprovecha las oscilaciones en la temperatura ambiente que ocurren durante el ciclo día-noche.

 

Generador

   

El nuevo sistema, llamado resonador térmico, podría permitir el funcionamiento continuo durante años de los sistemas de teledetección, por ejemplo, sin necesidad de otras fuentes de alimentación o baterías, según los investigadores.

Los hallazgos están siendo reportados en la revista Nature Communications , en un documento escrito por el estudiante de posgrado Anton Cottrill, el profesor de Ingeniería Química de Carbon P. Dubbs, Michael Strano, y otros siete en el Departamento de Ingeniería Química del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

"Básicamente, inventamos este concepto de la nada", dice Strano. "Hemos construido el primer resonador térmico. Es algo que puede sentarse en un escritorio y generar energía a partir de lo que parece nada. Estamos rodeados de fluctuaciones de temperatura de todas las frecuencias diferentes todo el tiempo. Estas son una fuente de energía sin explotar ".

Si bien los niveles de potencia generados por el nuevo sistema hasta ahora son modestos, la ventaja del resonador térmico es que no necesita luz solar directa; genera energía a partir de los cambios de temperatura ambiente, incluso a la sombra. Eso significa que no se ve afectado por cambios a corto plazo en la cobertura de nubes, condiciones de viento u otras condiciones ambientales, y puede ubicarse en cualquier lugar que sea conveniente, incluso debajo de un panel solar, en sombra perpetua, donde incluso podría permitir que el panel solar más eficientes al eliminar el calor residual, dicen los investigadores.

Se ha demostrado que el resonador térmico supera a un material piroeléctrico comercial de tamaño idéntico, un método establecido para convertir las fluctuaciones de temperatura en electricidad, en un factor de más de tres en términos de potencia por área, de acuerdo con Cottrill.

Los investigadores se dieron cuenta de que para producir energía a partir de ciclos de temperatura, necesitaban un material optimizado para una característica poco reconocida llamada efusividad térmica, una propiedad que describe con qué facilidad el material puede extraer calor de su entorno o liberarlo. La efusividad térmica combina las propiedades de la conducción térmica (la rapidez con que se puede propagar el calor a través de un material) y la capacidad térmica (la cantidad de calor que se puede almacenar en un volumen determinado de material). En la mayoría de los materiales, si una de estas propiedades es alta, la otra tiende a ser baja. La cerámica, por ejemplo, tiene una alta capacidad térmica pero baja conducción.

Para evitar esto, el equipo creó una combinación de materiales cuidadosamente diseñada. La estructura básica es una espuma de metal, hecha de cobre o níquel, que luego se recubre con una capa de grafeno para proporcionar una conductividad térmica aún mayor. Luego, la espuma se infunde con un tipo de cera llamada octadecano, un material de cambio de fase, que cambia entre sólido y líquido dentro de un rango particular de temperaturas elegido para una aplicación determinada.

Una muestra del material hecho para probar el concepto mostró que, simplemente en respuesta a una diferencia de temperatura de 10 grados Celsius entre la noche y el día, la pequeña muestra de material producía 350 milivoltios de potencial y 1.3 milivatios de potencia, suficiente para alimentar , pequeños sensores ambientales o sistemas de comunicaciones.

"El material de cambio de fase almacena el calor", dice Cottrill, el autor principal del estudio, "y el grafeno le da una conducción muy rápida" cuando llega el momento de usar ese calor para producir una corriente eléctrica.

Esencialmente, explica Strano, un lado del dispositivo captura calor, que luego irradia lentamente al otro lado. Un lado siempre se queda atrás del otro cuando el sistema intenta alcanzar el equilibrio. Esta diferencia perpetua entre los dos lados se puede cosechar a través de la termoeléctrica convencional. La combinación de los tres materiales (espuma de metal, grafeno y octadecano) lo convierte en "el material de efusión térmica más alta de la literatura hasta la fecha", dice Strano.

Mientras que la prueba inicial se realizó usando el ciclo diario de 24 horas de temperatura del aire ambiente, ajustar las propiedades del material podría permitir cosechar otros tipos de ciclos de temperatura, como el calor del ciclo de encendido y apagado de los motores. en un refrigerador, o de maquinaria en plantas industriales.

"Estamos rodeados de variaciones de temperatura y fluctuaciones, pero no han sido bien caracterizados en el medio ambiente", dice Strano. Esto se debe en parte a que no había una forma conocida de aprovecharlos.

Se han utilizado otros enfoques para tratar de extraer energía de los ciclos térmicos, con dispositivos piroeléctricos, por ejemplo, pero el nuevo sistema es el primero que se puede ajustar para responder a períodos específicos de variaciones de temperatura, como el ciclo diurno, dicen los investigadores. .

Estas variaciones de temperatura son "energía sin explotar", dice Cottrill, y podrían ser una fuente de energía complementaria en un sistema híbrido que, al combinar múltiples vías para producir energía, podría seguir funcionando incluso si los componentes individuales fallaran. La investigación fue financiada en parte por una subvención de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah de Arabia Saudita (KAUST), que espera usar el sistema como una forma de alimentar redes de sensores que monitorean las condiciones en los campos de perforación de petróleo y gas, por ejemplo.

"Quieren fuentes de energía ortogonales", dice Cottrill, es decir, unas que son completamente independientes entre sí, como los generadores de combustibles fósiles, los paneles solares y este nuevo dispositivo de potencia de ciclo térmico. Por lo tanto, "si una parte falla", por ejemplo, si los paneles solares se dejan en la oscuridad por una tormenta de arena, "tendrás este mecanismo adicional para proporcionar energía, incluso si es suficiente para enviar un mensaje de emergencia".

Dichos sistemas también podrían proporcionar fuentes de energía de baja potencia pero de larga duración para aterrizadores o exploradores que exploran ubicaciones remotas, incluidas otras lunas y planetas, dice Volodymyr Koman, un postdoc del MIT y coautor del nuevo estudio. Para tales usos, gran parte del sistema podría estar hecho de materiales locales en lugar de tener que prepararse, dice.

Este enfoque "es un desarrollo novedoso con un gran futuro", dice Kourosh Kalantar-zadeh, un distinguido profesor de ingeniería de la Universidad RMIT en Melbourne, Australia, que no participó en este trabajo. "Puede jugar potencialmente un papel inesperado en unidades complementarias de recolección de energía".

Él agrega: "Para competir con otras tecnologías de recolección de energía, siempre se requieren voltajes y potencias más altos. Sin embargo, personalmente creo que es muy posible obtener mucho más de esto invirtiendo más en el concepto. ... Es una tecnología atractiva que será potencialmente seguida por muchas otras en el futuro cercano ".

 

El equipo también incluyó a los estudiantes graduados en ingeniería química del MIT, Albert Tianxiang Liu, Amir Kaplan y Sayalee Mahajan; el científico visitante Yuichiro Kunai; postdoc Pingwei Liu; y el estudiante Aubrey Toland. Fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, KAUST y la Fundación Nacional Suiza de Ciencia.

Fuente / Leer más: http://news.mit.edu/2018/system-draws-power-daily-temperature-swings-0215