(Sinistra) Una fotografia del PENG, (al centro) il PENG alimenta un LCD per più di 60 secondi, e (a destra) un LED verde è alimentato da una batteria agli ioni di litio che è stata caricata dal PENG. Credito immagine:Yang, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) - L'idea di raccogliere energia ambientale dall'ambiente che altrimenti non sarebbe utilizzata intenzionalmente è, in teoria, un ottimo modo per produrre verde, energia rinnovabile. Ma il problema più grande in questa area di ricerca abbastanza nuova è che gli scienziati devono ancora trovare un metodo in grado di raccogliere grandi quantità di energia. Però, la tecnologia è in costante miglioramento, come dimostrato dallo sviluppo di un nanogeneratore in grado di caricare parzialmente una batteria agli ioni di litio raccogliendo energia dalle fluttuazioni di temperatura nell'ambiente.
Gli scienziati, Ya Yang e Sihong Wang del Georgia Institute of Technology di Atlanta, Yan Zhang del Georgia Institute of Technology e dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, e Zhong Lin Wang di entrambe le istituzioni, hanno pubblicato un articolo su un nanogeneratore piroelettrico in un recente numero di Nano lettere .
Gli scienziati chiamano il dispositivo un nanogeneratore piroelettrico (PENG) perché si basa sull'effetto piroelettrico, in cui la polarizzazione di un materiale anisotropo cambia in risposta alle fluttuazioni di temperatura, che può essere utilizzato per raccogliere energia termica. A differenza dell'effetto Seebeck, che viene utilizzato per raccogliere energia termica in base alla differenza di temperatura tra due estremità di un dispositivo, l'effetto piroelettrico si verifica in ambienti dove la temperatura è spazialmente uniforme ma cambia nel tempo.
"Il calore sprecato è una ricca fonte di energia che può essere raccolta, " ha detto Zhong Lin Wang Phys.org . "Nel 2010, Per esempio, più del 50 percento dell'energia generata da tutte le fonti negli Stati Uniti è stata persa principalmente sotto forma di calore disperso, che ci offre una grande opportunità per raccogliere questo tipo di energia utilizzando la nanotecnologia. La raccolta di energia termoelettrica si basa principalmente sull'effetto Seebeck, che utilizza una differenza di temperatura tra due estremità del dispositivo per pilotare la diffusione dei portatori di carica. La presenza di un gradiente di temperatura è un must per la cella termoelettrica convenzionale. Però, in un ambiente in cui la temperatura è spazialmente uniforme senza gradiente, come l'aria aperta nella nostra vita quotidiana, l'effetto Seebeck è poco utile per raccogliere l'energia termica derivante da una fluttuazione della temperatura dipendente dal tempo. In questo caso, l'effetto piroelettrico è la scelta, che riguarda la polarizzazione spontanea in alcuni solidi anisotropi a causa della fluttuazione della temperatura, ma ci sono pochi studi sull'uso dell'effetto piroelettrico per raccogliere energia termica".
Ad oggi, I PENG hanno avuto tensioni di uscita inferiori a 0,1 V e correnti inferiori a 1 nA, che sono troppo bassi per guidare qualsiasi elettronica commerciale. Qui, i ricercatori hanno dimostrato che un PENG realizzato con un film sottile di titanato di piombo zirconato (PZT) ha una tensione di uscita fino a 22 V, un picco di corrente di 430 nA, e una densità di corrente di 171 nA/cm 2 quando esposto a una variazione di temperatura di 45 K a una velocità di 0,2 K/secondo. Il film sottile PZT è lungo 21 mm, 12 mm di larghezza, e 175 μm di spessore – circa la metà delle dimensioni di un francobollo.
Con questi miglioramenti in tensione e corrente, un singolo impulso di uscita del PENG potrebbe alimentare continuamente un LCD per più di 60 secondi; in confronto, un nanogeneratore piezoelettrico, che raccoglie energia meccanica dall'ambiente, può alimentare un LCD per circa 2 secondi.
Per espandere le potenziali applicazioni del PENG, i ricercatori volevano immagazzinare l'energia elettrica generata dalle fluttuazioni di temperatura. Quindi l'hanno collegato a una batteria a bottone agli ioni di litio, e ha dimostrato che il PENG potrebbe caricare la batteria da 650 a 810 mV in circa 3 ore. Hanno quindi dimostrato che questa capacità elettrica immagazzinata potrebbe essere utilizzata per alimentare un LED verde per alcuni secondi.
Un'altra potenziale applicazione dei PENG sono i sensori wireless. I ricercatori hanno spiegato che i sensori wireless possono essere alimentati da una batteria ricaricabile agli ioni di litio con una tensione di 2,8 V. Tuttavia, il PENG fabbricato qui ha una corrente troppo piccola per farlo, poiché la corrente non può superare completamente l'autoscarica intrinseca della batteria. I ricercatori prevedono che raddoppiare l'area del film PZT raddoppierebbe la corrente, e l'aumento dello spessore del film PZT potrebbe anche aumentare la corrente. Questi miglioramenti potrebbero rendere i nanogeneratori piroelettrici interessanti per il pilotaggio di sensori wireless, LCD, e altri piccoli dispositivi elettronici, semplicemente raccogliendo le variazioni di temperatura nell'ambiente.
"Nel nostro ambiente di vita, la variazione di temperatura può derivare da un calo della temperatura ambiente indotto dal flusso d'aria, la generazione di calore ciclico vicino a un motore, illuminazione del sole con un'ombra in movimento, accensione e spegnimento del flusso di acqua calda/aria in un tubo, ecc." Ha detto Zhong Lin Wang.
Attualmente, i ricercatori stanno continuando a migliorare la potenza di uscita del PENG e stanno anche integrando la tecnologia con alcuni prodotti esistenti per dimostrarne le applicazioni pratiche.
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