Przełom na Uniwersytecie Rice polega na ulepszeniu systemów termofotowoltaicznych dzięki nowej konstrukcji emitera ciepła, osiągając sprawność ponad 60%.
Może to zmienić konwersję energii, czyniąc ją realną alternatywą dla akumulatorów w zakresie magazynowania energii na skalę sieciową i zrównoważonych praktyk przemysłowych.
Naukowcy z Uniwersytetu Rice opracowali innowacyjny sposób ulepszenia systemów termofotowoltaicznych (TPV), które przekształcają ciepło w energię elektryczną za pomocą światła. Czerpiąc inspirację z fizyki kwantowej, inżynier Gururaj Naik i jego zespół zaprojektowali wysoce wydajny emiter ciepła, który działa w ramach realistycznych ograniczeń projektowych.
Wpływ na zrównoważoną energię i gospodarkę
Ten przełom może potencjalnie ulepszyć magazynowanie energii cieplnej, oferując niedrogą i skalowalną alternatywę dla akumulatorów w rozwiązaniach energetycznych na skalę sieciową. Mówiąc szerzej, wydajne systemy TPV mogłyby przyczynić się do przyjęcia energii odnawialnej, co stanowi kluczowy krok w kierunku osiągnięcia zerowej emisji netto. Ponadto ulepszone technologie TPV mogą znacznie ograniczyć ciepło odpadowe z przemysłu, czyniąc procesy produkcyjne bardziej zrównoważonymi. Obecnie marnuje się 20-50% ciepła wykorzystywanego do produkcji dóbr konsumpcyjnych, co skutkuje ponad 200 miliardów dolarów w rocznych stratach gospodarczych w samych Stanach Zjednoczonych.
Systemy TPV składają się z dwóch głównych elementów: ⎯ ogniw fotowoltaicznych (PV), które przekształcają światło w energię elektryczną, oraz emiterów ciepła, które zamieniają ciepło w światło. Oba te elementy muszą dobrze działać, aby system był wydajny, ale wysiłki mające na celu ich optymalizację skupiły się bardziej na ogniwie fotowoltaicznym.
„Stosowanie konwencjonalnych podejść do projektowania ogranicza przestrzeń projektową emiterów ciepła, w wyniku czego powstaje jeden z dwóch scenariuszy: praktyczne urządzenia o niskiej wydajności lub emitery o wysokiej wydajności, które trudno zintegrować z rzeczywistymi aplikacjami” – powiedział Naik, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej.
Przełom w konstrukcji emiterów ciepła
W nowym badaniu opublikowanym 21 listopada w npj NanofotonikaNaik i jego były doktor. student Ciril Samuel Prasad ⎯ który uzyskał doktorat z inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Rice i objął stanowisko pracownika badawczego podoktoranckiego w Oak Ridge National Laboratory ⎯ zademonstrował nowy emiter ciepła, który pomimo zastosowania zapewnia wydajność przekraczającą 60% -gotowy.
„Zasadniczo pokazaliśmy, jak osiągnąć najlepszą możliwą wydajność emitera, biorąc pod uwagę realistyczne, praktyczne ograniczenia projektowe” – powiedział Prasad, który jest pierwszym autorem badania.
Zwiększanie wydajności emitera poprzez fizykę kwantową
Emiter składa się z blachy wolframowej, cienkiej warstwy materiału dystansowego i sieci krzemowych nanocylindrów. Po podgrzaniu warstwy bazowe akumulują promieniowanie cieplne, które można uznać za kąpiel fotonów. Znajdujące się na górze maleńkie rezonatory „rozmawiają” ze sobą w sposób, który pozwala im „wyrywać”. foton przez foton” z tej kąpieli, kontrolując jasność i szerokość pasma światła wysyłanego do ogniwa fotowoltaicznego.
„Zamiast skupiać się na działaniu systemów z jednym rezonatorem, zamiast tego wzięliśmy pod uwagę sposób, w jaki te rezonatory oddziałują, co otworzyło nowe możliwości” – wyjaśnił Naik. „Dało nam to kontrolę nad sposobem przechowywania i uwalniania fotonów”.
Ta selektywna emisja, osiągnięta dzięki spostrzeżeniom fizyki kwantowej, maksymalizuje konwersję energii i pozwala na osiągnięcie wyższej wydajności niż było to wcześniej możliwe, działając na granicy właściwości materiałów. Aby poprawić nowo osiągniętą wydajność wynoszącą 60%, konieczne byłoby opracowanie lub odkrycie nowych materiałów o lepszych właściwościach.
Implikacje dla technologii konwersji energii
Zyski te mogą sprawić, że TPV stanie się konkurencyjną alternatywą dla innych technologii magazynowania i konwersji energii, takich jak akumulatory litowo-jonowe, szczególnie w scenariuszach, w których potrzebne jest długoterminowe magazynowanie energii. Naik zauważył, że ta innowacja ma znaczące implikacje dla branż generujących duże ilości ciepła odpadowego, takich jak elektrownie jądrowe i zakłady produkcyjne.
„Mam pewność, że to, co tutaj zademonstrowaliśmy, w połączeniu z bardzo wydajnym ogniwem fotowoltaicznym o małej przerwie energetycznej, ma bardzo obiecujący potencjał” – powiedział Naik. „Na podstawie własnego doświadczenia w pracy z NASA i uruchomienie startupu w przestrzeni energii odnawialnej, myślę, że technologie konwersji energii są dziś bardzo potrzebne.”
Potencjalne zastosowania w kosmosie i poza nim
Technologia opracowana przez zespół może zostać również wykorzystana w zastosowaniach kosmicznych, takich jak zasilanie łazików Mars.
„Gdyby nasze podejście mogło doprowadzić do wzrostu wydajności takich systemów z 2% do 5%, stanowiłoby to znaczny impuls dla misji, które polegają na wydajnym wytwarzaniu energii w ekstremalnych warunkach” – powiedział Naik.
Odniesienie: „Niehermitowski selektywny emiter termiczny do termofotowoltaiki” autorstwa Cirila Samuela Prasada i Gururaja V. Naika, 21 listopada 2024 r., npj Nanofotonika.
DOI: 10.1038/s44310-024-00044-3
Badania były wspierane przez National Science Foundation (1935446) i Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych.
