Iskorištavanje otpadne topline elektroničkih uređaja pomoću nano-filma
Potencijal nekvalitetne otpadne topline elektroničkih uređaja u proizvodnji električne energije
Elektronički uređaji prilikom rada oslobađaju značajnu količinu topline koja predstavlja nepovratno izgubljenu energiju. No, tim kalifornijskih istraživača pozabavio se time i osmislio način kako tu otpadnu toplinu ponovno iskoristiti i tako smanjiti gubitak energije.
Otpadna toplina koju proizvode elektronički uređaji velik je problem. Ne samo da može oštetiti komponente uređaja ako se otme kontroli, već predstavlja i veliku količinu odbačene, neiskorištene energije. Znanstvenici sa Sveučilišta Berkeley u Kaliforniji, razvili su tanak film koji se može ugraditi u računala, automobile ili tvornice kako bi „uhvatio“ i reciklirao, odnosno ponovno iskoristio otpadnu toplinu uređaja. Detalje svog istraživanja znanstvenici su objavili u časopisu Nature Materials.
Kako funkcionira proces?
Mnogi postojeći sustavi koji spadaju u ovaj izvor energije rade na termoelektričnom principu kojim se proizvodi električna struja preko gradijenta temperature između dvije strane materijala. Točnije, termoelektrična generacija je proces ili sustav direktne pretvorbe topline u električnu energiju i obratno, a zasniva se na termoelektričnom (Seebeckovom) efektu. On se javlja pri grijanju jedne strane vodiča što rezultira pojavom električnog napona između krajeva termoelementa zbog razlike temperature vrućeg i hladnog kraja nastale tim zagrijavanjem zajedničkog kraja.
Ovo dobro funkcionira u uređaju kao što je termoelektrični generator JikoPower koji toplinu iz lonaca i tava tijekom kuhanja koristi za punjenje baterije mobitela, no on nije upotrebljiv pri manjim temperaturnim razlikama vruće i hladne strane materijala.
UC Berkeley tim želio je eliminirati taj nedostatak te napraviti uređaj koji bi mogao iskoristiti otpadnu toplinu niske kvalitete koja uključuje temperature ispod 100 stupnjeva Celzijevih (212 °F). Na taj način novi materijal nano-filma radi na principu piroelektrične konverzije energije (piroelektričnost je svojstvo materijala da se pri promjeni temperature električno polarizira, pri čemu je količina nastalog električnog naboja proporcionalna promjeni temperature) te je upotrebljiv pri nižim temperaturama i postupnim promjenama, što ga čini idealnim za korištenje u elektronici.
Bitno je dobro iskoristiti već dobivenu energiju
„Znamo da su nam potrebni novi izvori energije, no isto tako moramo i bolje iskoristiti energiju koju već imamo“, rekao je Lane Martin, jedan od autora istraživanja. „Ovi tanki filmovi mogu nam pomoći u sakupljanju veće količine energije nego li je danas skupljamo iz svih izvora energije.“
Tim je izradio prototipe uređaja kojima se dovodi toplina i električna polja na piroelektrične filmove debljine samo 50 do 100 nanometara te se mjeri temperatura i količina proizvedene električne energije. Uređaji su uspjeli postići gustoću energije od 1,06 J/cm3, gustoću snage od 526 W/cm3 te Carnotovu učinkovitost od 19 posto. Prema istraživačima, ove brojke novi su zapisi za ovu vrstu pretvorbe piroelektrične energije.
Također, istraživači navode da njihov rad pomaže u poboljšanju našeg razumijevanja piroelektrične fizike, a bolje razumijevanje svakako može unaprijediti način dizajniranja ovakvih uređaja. U budućnosti, nano-filmovi mogu biti optimizirani za pojedinačne sustave, ovisno o tome koliko se topline gubi i pri kojoj temperaturi.
„Dio onoga što pokušavamo napraviti je stvoriti protokol koji nam omogućava pomicanje ekstrema piroelektričnih materijala kako bi mogli za određene tokove otpadne topline imati već optimiziran materijal za rješavanje takvog problema“, navodi Martin.
Barbara Kalebić / Ekovjesnik