Jak vytěžit elektřinu z odpadního tepla?  
Nová rektena na infračervené záření je vytvořena z běžných materiálů a je možné ji vyrábět standardními technologiemi elektronického průmyslu. Jednoho dne by se takové rekteny mohly podívat do vesmíru a pohánět tam satelity a meziplanetární sondy.
Rektena pro přeměnu odpadního tepla na elektřinu. Kredit: Randy Montoya/Sandia National Laboratories.
Rektena pro přeměnu odpadního tepla na elektřinu. Kredit: Randy Montoya/Sandia National Laboratories.

Když někdo chce převést elektrickou energii přímo na teplo, tak to není nic těžkého. Dovede to průměrně zdatný toustovač. Jenomže opačně, tedy přeměnit tepelnou energii přímo na elektřinu, to už tak jednoduché není. Nedávno to dokázali vědci a inženýři kalifornských laboratoří Sandia National Laboratories, kteří vyvinuli malé zařízení založené na křemíku, jenž umí těžit odpadní teplo a proměnit ho na stejnosměrný elektrický proud. Jejich výzkum uveřejnil časopis Physical Review Applied.


Paul Davids a jeho kolegové vymysleli novou metodu, která umožňuje „zachraňovat“ energii, co se jinak ztrácí v podobě tepla. Teplo vytváří každý motor, motory automobilů nevyjímaje. Davids si ale představuje hybridní auta, v nichž by podobná zařízení konvertovala tepelnou energii na elektřinu a ta byla opět k dispozici. Jejich technologie by to časem mohla umožnit.

 

Paul Davids. Kredit: P.Davids.
Paul Davids. Kredit: P.Davids.

V nejbližší době by Davids a spol. rádi novou technologii uplatnili ve vývoji kompaktních infračervených generátorů energie, které by měly nahradit či doplnit dnešní radioizotopové termoelektrické generátory (RTG). Takové generátory se používají ve vesmírných misích v případech, kdy solární panely nejsou vhodné či dostačující pro přísun potřebné energie.

 

Nové zařízení je rektena (rectenna, rectifying antenna), čili anténa, která konvertuje elektromagnetické záření na stejnosměrný elektrický proud. Postavili ji z běžných materiálů, jako je hliník, křemík a sklo, které jsou zkombinované velmi neobvyklými způsoby. Pokud jde o velikost, tak je tato rektena menší než nehet malíčku. Horní vrstvu tvoří hliník pokrytý velmi jemným vzorem, s pruhy asi 20 krát užšími než lidský vlas. Tato vrstva slouží jako anténa pro zachycování infračerveného záření, čili tepla.

 

Sandia National Laboratories.
Sandia National Laboratories.

Mezi svrchní hliníkovou vrstvou a spodní vrstvou tvořenou křemíkem je velice tenka vrstva oxidu křemičitého, čili skla. Její tloušťka je pouhých 20 atomů křemíku. Do této prostřední vrstvy směřuje infračervené záření, které zachytí hliníková anténa. Když se infračervené záření dostane do oxidu křemičitého, tak tam vyvolá extrémně rychlé elektrické oscilace, asi tak 50 bilionů za sekundu. Přitom dochází k prohazování elektronů mezi hliníkem a křemíkem, které je asymetrické. Výsledkem procesu, který je podobný přeměně střídavého proudu na stejnosměrný usměrňovačem (rectification), je stejnosměrný elektrický proud.

 

V současné podobě infračervená rektena vytváří 8 nanowattů na čtvereční centimetr, po ozáření tepelnou lampou dosahující teploty 840 °C. Pro představu, typická kalkulačka na solární pohon potřebuje kolem 5 mikrowattů, takže by ji utáhla infračervená rektena o něco větší než list papíru A4. Davids s kolegy mají ale spoustu nápadů, jak rektenu vylepšit, takže se její účinnost bude pravděpodobně dále zvyšovat.


Infračervená rektena nemá žádné pohyblivé části, což zvyšuje její spolehlivost a trvanlivost. Výhodou je i to, že se přímo nedotýká zdroje tepla. V Sandii postavili tuto rektenu z běžných materiálů a s využitím standardních technologií pro výrobu elektroniky. To velmi usnadní případnou průmyslovou výrobu nového zařízení. Podle autorů rekteny by ji měli zvládnout vyrobit v komerční továrně na integrované obvody. 

Video:  Sandia's Microsystems Science & Technology Center


Literatura
DOE/Sandia National Laboratories 9. 7. 2018, Physical Review Applied 9: 054040.

Datum: 11.07.2018
Tisk článku

Malý vědec 3 - Senćanski Tomislav
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 189 Kč
cena: 161 Kč
Malý vědec 3
Senćanski Tomislav
Související články:

Zvuk jako cesta k přeměně tepla na elektřinu     Autor: Josef Pazdera (07.06.2007)
Miniaturní lapače tepla novým zdrojem energie     Autor: Stanislav Mihulka (19.06.2007)
Elektřina ze ztracené energie mikrovln     Autor: Stanislav Mihulka (09.11.2013)
Umělá fotosyntéza požírá skleníkové plyny a vyrábí energii     Autor: Stanislav Mihulka (13.05.2017)
Jak získat elektřinu z tepelného záření Země kvantovým tunelováním?     Autor: Stanislav Mihulka (08.02.2018)



Diskuze:

štosování

Jiří Novák,2018-07-12 19:46:14

Chodí sem spousta fyziků, tak vhodím do pléna něco dotazů od hloupého biologa :-)

Zajímalo by mě, jestli jde pole takových antének štosovat na sebe. Jestli teda můžu mít antény orientované nějak, pod něma vrstvu antén orientovanou o kousek jinak, a takhle třeba ve sto vrstvách. Takže bych zvládl odchytávat vlny s různou polarizací.

Druhá věc - pro těch 840°C je nějaký zvláštní důvod? Třeba vlnová délka? Jde mi o to, jestli by mohlo existovat pole antén, beroucích IR záření třeba z 25°C teplého tělesa. Ne jako zdroj energie, ale právě proto, aby se v uzavřeném prostoru snižovala teplota. Taková samochladící lednička. Přičemž ta energie by se klidně mohla mrhat v nějaké LEDce indikující funkci :-)

Odpovědět


Re: štosování

Milan V,2018-07-12 23:04:31

Pokud jde o polarizaci, měly by stačit 2 vrstvy na vychytání všech polarizací.

Normálně bych čekal, že čím blíž k rádiovým vlnám, tím to bude jednodušší, ale kdo ví, jak to doopravdy funguje.

Jinak jak píšou kolegové níže, teplo neputuje samovolně na teplejší předmět, a ani se nemůže samo zkonvertovat na jiný typ energie. Došlo by tím k poklesu entropie, protože teplo je forma energie s nejvyšší entropií.

Odpovědět

Rekt...éna

Milan V,2018-07-11 23:50:01

Rektena... no nevím, připomíná mi to různá slova a žádné pěkné. To už je snad lepší zůstat u té usměrňující antény.
Jinak se mi to taky moc fyzikálně nepozdává, ale píšou o sobě, že už fungují 60 let a mají 10000 zaměstnanců, tak nevím...

Odpovědět

tak zas prd

David Pešek,2018-07-11 22:10:13

technologie pro Dysonovu sféru se nerýsuje, tudy cesta nevede, nezbývá než postavit ji z fotovoltaických panelů

Odpovědět

V jednoduchosti je síla. Příliš velká jednoduchost je jednoduchá reklama. Z tohoto krátkého příspěvku není jasné jaký tepelný příkon přichází na rektenu a jaká je teplota její zadní stěny.

Josef Hrncirik,2018-07-11 19:35:23

Výkon udávají 8 nW/cm2. Jaká ale byla spotřeba lampy a ozářená plocha rekt-
eny ministerstvo energetiky tají, nepovažuje za důležité, ev. neví.
Číňané si potom musí myslet, že zadek rekteny je chlazen minimálně sáláním řekněme při 420°C i u Merkura. Kdyby to mělo stejné teplotu vpředku i vzadku, tak to bude stejně ohřívat lampu jako lampa ohřívá rektenu a z rovnovážného systému nelze získat ani nanoenergii ani s pomocí Ruských Démonů.
Pokud by z cm2 infra zdroje při cca 1100K sálalo odhadem cca 0,1 W/cm2 x cca (1100K/300K)**4 = 18 W/cm2, opět jsme dostali nutné hodnoty pro čínský grilovač demonstrantů.
Že by se Sandia chtěla pochlubit účinností 8 nW/18 W = 0,4 n% svých nánorektenů hravě dosahovaných bez jakéhokoliv pohybu, když i termočlánky mají bez problémů účinnost ?4%, nebo zapomněli uvést že IČ žářič zářil jen z nánoplochy méně než 10000 (nm)2 tj. dokonce méně než 10 f m2?
Zde by Putinovi Démoni IČ paprsky z nerovnovážné lampy a optického systému fokusovali do ohniska nepokoje, rozžižlali ohniště do bílého žáru a tím by si pak posvítili na běžnou PV.
Pochopitelně do výfuku hybridního auta by jednoduše instalovali kotel parního stroje.
Někdo by měl posvítit na Sandia laboratories, jak moc jim tam vlastně všude svítí ty odpadní radioisotopy.

Odpovědět


Re: V jednoduchosti je síla. Příliš velká jednoduchost je jednoduchá reklama. Z tohoto krátkého příspěvku není jasné jaký tepelný příkon přichází na rektenu a jaká je teplota její zadní stěny.

Štefan Ürge,2018-07-12 14:18:50

Výpočet účinnosti? Podľa Stefan-Bolzmanovho zákona absolútne čierne teleso na všetkých vlnových dĺžkach môže vyžiariť max. 8,301W, a to všetkými možnými smermi. Aká veľká je vyžarujúca plocha infralampy, ako ďaleko je, žiari všesmerovo? (t.j aké je vlastne množstvo dopadajúcej energie na prijímač?

Odpovědět


Re: Re: V jednoduchosti je síla. Příliš velká jednoduchost je jednoduchá reklama. Z tohoto krátkého příspěvku není jasné jaký tepelný příkon přichází na rektenu a jaká je teplota její zadní stěny.

Štefan Ürge,2018-07-14 07:15:14

samozrejme tých 8,301W platí pre teleso s teplotou 1100K uvedené ako príklad vo výpočte

Odpovědět


Re: V jednoduchosti je síla. Příliš velká jednoduchost je jednoduchá reklama. Z tohoto krátkého příspěvku není jasné jaký tepelný příkon přichází na rektenu a jaká je teplota její zadní stěny.

Štefan Ürge,2018-07-12 14:19:30

Výpočet účinnosti? Podľa Stefan-Bolzmanovho zákona absolútne čierne teleso na všetkých vlnových dĺžkach môže vyžiariť max. 8,301W, a to všetkými možnými smermi. Aká veľká je vyžarujúca plocha infralampy, ako ďaleko je, žiari všesmerovo? (t.j aké je vlastne množstvo dopadajúcej energie na prijímač?

Odpovědět


Re: Re: V jednoduchosti je síla. Příliš velká jednoduchost je jednoduchá reklama. Z tohoto krátkého příspěvku není jasné jaký tepelný příkon přichází na rektenu a jaká je teplota její zadní stěny.

Štefan Ürge,2018-07-12 14:20:23

omylom otázka u Vás, mala byť vyššie :-)

Odpovědět

Zajímavé ale

Alexandr Kostka,2018-07-11 19:25:36

I při nesmírně mizerné účinnosti "uživí" kalkulačku solární článek velký maximálně 5x2 cm, u malých kalkulaček poloviční. A to to zahřívali na 850c. Aby to mělo smysl při běžném rozdílu teplot třeba odpadní vody nebo vzduchu 30c, mueslo by to být mnohem účinnější.

Odpovědět

Pavel Nedbal,2018-07-11 14:07:40

Pozor na termodynamické zákony. Účinnost procesu závisí na rozdílu teplot zdroje tepla a chladiče, to obejít nejde. Maxwelův démon nikdy nespí.

Odpovědět


Re:

Davidx Brazina,2018-07-11 14:24:37

Ten by to právě udělal naopak...

Odpovědět


Re:

Karel S.,2018-07-12 18:05:49

Otázka je jestli se tu pohybujeme v oblasti tepelných strojů, nebo elektrických, jinými slovy, jestli je pro nás tepelné záření částice či vlna. Pokud by to byla vlna, tak by možná nemusel termodynamický zákon až zase tak moc platit, ale mohlo by se to řídit zákony jako antény pro radiové vlny. Pokud by se to chovalo podle zákonů pro radiové antény, tak by nízká účinnost mohla být dána tím že lampa vysílá ve velkém množství roviny, téměř nekonečném, s horním limitem daným počtem emitovaných fotonů, což je závislé na výkonu, ale antény jsou polarizovány jen v jedné a tedy se do hry dostává ještě pravděpodobnost že je vlna vhodně polarizovaná.

Před snad deseti lety tu byl článek o podobném zařízení, které mělo sbírat elektrosmog a pohánět tím zařízení, senzory atp. (Internet of things was not thing back then) také tam byly problémy s nízkou intenzitou a dalšími záležitostmi.

Podle mne by, pokud se to bude celé chovat jako elektrická záležitost, neměl být problém se zákony termodynamiky a nutností chladiče. Stejně tak to neumožňuje postavit perpetum mobile, i s dobrou účinností a topným tělesem v izolované bedně energie nevznikne.Samovolný přechod tepla do míst s vyšší energií to také není protože to již není teplo, ale elektrický proud, stejnosměrný. Řekl bych že je tu slušná šance že pokud se podaří zvládnout výrobu a účinnost vzroste, že by to mohlo najít uplatnění v aktivních chladičích, které by při své činnosti prostor kde jsou umístěny ochlazovaly.

Odpovědět


Každý cyklický ("trvalý") praktický zdroj energie musí nutně produkovat entropii, tj. prakticky většinou převádět podstatnou část tepla na nižší teplotu. prostě samovolný tok tepla na nižší teplotu produkující entropii

Josef Hrncirik,2018-07-12 22:43:07

se musí nějak spřáhnout s tokem získávané využitelné volné energie. Z šumu (i vln) izotermicky volnou energii nelze získat. Odpadní teplo je vlastně Ič šum.

Odpovědět


Maxwellovi démoni prostě nestíhají. Navíc potřebují informaci kdy ev. jak akci provést.

Josef Hrncirik,2018-07-13 08:09:43

Je-li tok těchto informací příliš velký, nelze jej reálně získat a přenést. Ve spínaných tocích energie nesmí být šumová složka (ovládaného toku či ovládání) příliš velká, jinak náklady spínání (usměrňování) či ztrát přesáhnou reálný zisk.
Není pravda, že z volné energie (stejnosměrného proudu) vždy snadno získáme volnou energii vlnění. Problémy jsou vždy u velmi vysokých a kupodivu i u velmi nízkých frekvencí. Pomocí pouhé baterie a VF oscilátoru s anténou si ani červeně svítit nebudete.
Své limity mají i zdánlivě běžné a průhledné operace usměrnění. Není problém svítit na demonstranty Ič lasery. Hrozí však poškození zraku. Zdá se, že je však problém s dobrou účinností třeba zdvojnásobit frekvenci i velmi silného koherentního záření třeba do zelené barvy, aby se oko mohlo rychleji chránit. Praktické problémy vznikají i při nevhodných impedancích (exotických napětích, proudových hustotách i frekvencích. Prostě v určitých situacích nestíhají ani démoni ze Sandia a jsou nutně katastrofálně proděleční.

Odpovědět


Nespíš tam načerno odebírají nějak naindukovaný proud ze sítě či mikrovlnek. Nebo zajistili vyrovnání teplot a změření teplotního rozdílu mezi předkem a zadkem rekteny na cca 10**-10K a dostatečně potlačili termočlánkování a je to na N.C. Nebo naměřili e

Josef Hrncirik,2018-07-13 16:01:58

Nebo v rovnovážném systému vyrobili z šumu energii a je to na 3. NC.

Odpovědět


Re: Nespíš tam načerno odebírají nějak naindukovaný proud ze sítě či mikrovlnek. Nebo zajistili vyrovnání teplot a změření teplotního rozdílu mezi předkem a zadkem rekteny na cca 10**-10K a dostatečně potlačili termočlánkování a je to na N.C. Nebo naměři

Josef Hrncirik,2018-07-13 16:05:08

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace