Аннотация:
В мировой структуре энергопотребления спрос на отопление и охлаждение составляет почти половину энергопотребления, и этот спрос продолжает расти. На протяжении более столетия традиционные холодильники, кондиционеры и системы охлаждения центров обработки данных почти исключительно полагались на компрессоры с электроприводом и проточные хладагенты для передачи тепла. Многие традиционные хладагенты также являются парниковыми газами, которые способствуют глобальному потеплению.
Сегодня исследовательская группа из Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии и Университета Цукуба в Японии совершила крупный прорыв и успешно разработала первый в мире прототип твердотельной холодильной системы, полностью работающей на тепловой энергии, реализуя новый технический путь, который избавляет от электродвигателей и напрямую преобразует отходящее тепло или солнечную энергию в холодную энергию.
Эта система преодолевает ключевое узкое место «Эластокалорического охлаждения», передовой технологии твердотельного охлаждения. В качестве многообещающей альтернативы традиционному компрессионному охлаждению сплавы с памятью формы охлаждаются при снятии приложенной механической нагрузки; однако до этого существующие эластомерные холодильные системы все еще полагались на приводы с электрическим приводом для создания механической внешней силы, что не позволяло технологии напрямую использовать легкодоступное отходящее тепло или солнечную энергию из окружающей среды.
Новая разработка совместной команды революционизирует этот силовой механизм, заменяя традиционные электрические приводы самой «тепловой энергией». Суть системы заключается в гениальной комбинации двух ультратонких пленок из никель-титанового сплава с памятью формы с различным разделением труда: первая пленка действует как тепловой привод, сжимаясь с использованием эффекта памяти формы при нагревании и напрямую преобразуя тепловую энергию в механическую работу без необходимости использования двигателя; это движение смещения затем воздействует на вторую пленку, которая играет роль охлаждения. Периодически загружая и разгружая его, он вызывает обратимые изменения в кристаллической структуре материала, тем самым непрерывно генерируя холодную энергию.
Исследовательский проект возглавляет доктор Цзинъюань Сюй, руководитель молодой исследовательской группы Лаборатории тепловой энергии ZEco Института микроструктурных технологий KIT (IMT). Он отметил, что ключевым нововведением этого прорыва является объединение двух взаимодополняющих функций сплава с памятью формы: одна пленка отвечает за преобразование тепловой энергии в механическую работу, а другая пленка преобразует механическую работу в холодную энергию. Эта конструкция устанавливает новую парадигму твердотельного холодильного привода, открывая многообещающие возможности для эффективного использования отработанного тепла и солнечной энергии.
Экспериментальные данные показывают, что прототип устройства успешно продемонстрировал измеримый охлаждающий эффект в лабораторных испытаниях. Когда исполнительный механизм находится при температуре 86 градусов Цельсия, на уровне всего компонента достигается разница температур в 4 градуса Цельсия, тогда как изменение температуры самого эластичного хладагента приближается к 13 градусам Цельсия. Кроме того, для проверки исследователи внедрили внешний источник тепла с температурой 130 градусов по Цельсию, и система также поддерживала стабильную и надежную работу, полностью доказав возможность использования технологии для соответствия источнику тепла в реальной промышленной среде. И-Тин Сяу, первый автор статьи и докторант KIT, сказал, что возможность своими глазами измерить холодную энергию, фактически производимую системой теплового привода, является очень решающим моментом, который подтверждает, что теоретический принцип ни в коем случае не является просто куском бумаги.
Изготавливаемый в настоящее время прототип устройства в основном используется для проверки концепции и демонстрации технико-экономического обоснования и еще не оптимизирован для обеспечения максимальной охлаждающей способности. Исследовательская группа в настоящее время пытается экспоненциально увеличить общую охлаждающую способность системы путем параллельного растяжения нескольких слоев пленок. По мере того как технология постепенно совершенствуется и становится миниатюрной, сценарии ее будущего применения очень широки: компьютерные процессоры или серверные устройства могут «использовать выделяемое ими отходящее тепло для собственного охлаждения». Отходящее тепло, выделяемое автомобильной трансмиссией, также можно напрямую преобразовать в источник охлаждающей энергии для чувствительных автомобильных электронных компонентов. Научно-исследовательская группа заявила, что это достижение — только начало. Ожидается, что в будущем, с расширением системы и внедрением компактного дизайна, огромное количество отходящего тепла из окружающей среды, которое можно увидеть повсюду, будет преобразовано в экологически чистые и устойчивые холодильные ресурсы.
Комментарии