西安交大科研人员在废热能量回收研究领域取得新进展

在能源危机的背景下，提高清洁能源在现有能源结构中的比重，特别是低品位能源的利用意义重大。目前，越来越多的学者开始研究自然环境中的能量回收，如将环境中的太阳能、机械能和热能等转换为所需的电能。在这些能源中，废热回收利用以其通用性、实用性和环境友好性等特点引起了人们的极大关注和兴趣，使用热释电发电机(PEG)来捕获环境热能具有重大意义。目前，大多数关于PEG的研究都需要特殊的辅助装置来实现冷热交替接触，以实现热释电效应。虽然专用辅助装置可以在能量回收过程中起到关键作用，但辅助装置的使用增加了PEG的复杂性并降低了通用性。此外，辅助设备还需要外接电源才能工作，大大降低了PEG的应用潜力。

近日，西安交通大学机械工程学院贾书海教授课题组提出了一种利用振动接触的高效热释电废热回收方案。它由PEG和平面螺旋弹簧巧妙连接，可以利用列车等在运行过程固有的振动来进行余热能量回收。该研究使用纳米复合材料制造了一种高效的PEG。该纳米复合材料含有多种纳米结构填料，包括钛酸锶钡(BST)纳米颗粒和氮化硼(BN)纳米片，具有优异的导热性和高极化率。经过一系列实验，结果表明当温差为70K时，在5MΩ电阻负载下，最大输出电流密度可达1.7 μA/cm2，最大功率密度为6.47 μW/cm2，PEG产生的电能可以点亮15个LED。该研究中制造的PEG的性能，尤其是最大输出电流，对于热释电器件来说是一个很大的提升。此外，该研究提出了一种利用功率密度与热通量之间的关系来研究PEG的热电转换效率的评估方法，该方法可将PEG的研究标准化和规范化。所开发的释电发电机单元（PEG-unit）在实验中电容器（1000μF）电压在5分钟内达到6.35V，然后成功点亮直径为5mm的LED灯珠10秒钟。因此，该研究的PEG可以有效地将热能转换为电能，可以很好地利用外部振动实现余热回收，而无需辅助装置，该工作在余热回收领域具有很大的潜力和应用价值。

该研究成果以“Highly efficient pyroelectric generator for waste heat recovery without auxiliary device”为题发表在纳米能源领域顶级期刊Nano Energy上。论文第一作者为机械工程学院博士生康熙龙，西安交通大学机械工程学院是唯一作者单位，机械工程学院贾书海教授为通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

近年来，西安交大机械工程贾书海教授课题组在柔性传感、能量回收等方面的研究取得了多项进展，相关研究已发表系列论文，如Advanced Science, 2017, 4(5): 1600437,(IF: 15.84)，ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(7): 6624-6635, (IF: 8.758)，Journal of Power Sources, 2019, 433. 226692,(IF: 8.247)，ACS Applied Materials & Interfaces, 2020,12(25), 28669-28680, (IF: 8.758)。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106245