Исследователи из Университета Райса нашли новый способ улучшить ключевой компонент термофотоэлектрических (TPV) систем, которые преобразуют тепло в электричество посредством света. Используя нетрадиционный подход, вдохновленный квантовой физикой, инженер Райс Гурурадж Наик и его команда разработали тепловой излучатель, способный обеспечить высокую эффективность в рамках практических проектных параметров.
Исследование может помочь в разработке систем хранения электрической тепловой энергии, которые обещают стать доступной альтернативой сетевым батареям. В более широком смысле, эффективные технологии TPV могут способствовать росту возобновляемой энергетики – важной части перехода к чистый ноль мир. Еще одним важным преимуществом более совершенных систем TPV является рекуперация отходящего тепла промышленных процессов, что делает их более устойчивыми. Если представить это в контексте, то от 20 до 50 процентов тепла, используемого для преобразования сырья в потребительские товары, в конечном итоге тратится впустую, что обходится экономике США еще дороже. 200 миллиардов долларов ежегодно.
Системы TPV состоят из двух основных компонентов: фотоэлектрических (PV) элементов, которые преобразуют свет в электричество, и тепловых излучателей, которые преобразуют тепло в свет. Оба этих компонента должны работать правильно, чтобы система была эффективной, но усилия по их оптимизации больше сосредоточены на фотоэлектрическом элементе.
«Использование традиционных подходов к проектированию ограничивает пространство для проектирования тепловых излучателей, и в итоге вы получаете один из двух сценариев: практичные, малопроизводительные устройства или высокопроизводительные излучатели, которые трудно интегрировать в приложения реального мира», — сказал Найк, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники.
В новое исследование опубликовано в журнале npj Nanophotonics, Найк и его бывший доктор философии. студент Сирил Сэмюэл Прасад ⎯ который с тех пор получил докторскую степень в области электротехники и вычислительной техники в Райсе и стал научным сотрудником в Окриджской национальной лаборатории ⎯ продемонстрировал новый тепловой излучатель, который обещает эффективность более 60%, хотя он уже готов к применению .
«По сути, мы показали, как добиться максимально возможной производительности передатчика с учетом реалистичных и практических ограничений конструкции», — сказал Прасад, первый автор исследования.
Эмиттер состоит из металлической вольфрамовой фольги, тонкого слоя разделительного материала и массива кремниевых наноцилиндров. При нагревании базовые слои накапливают тепловое излучение, которое можно представить как ванну фотонов. Крошечные резонаторы наверху «общаются» друг с другом таким образом, что позволяют им «брать фотон за фотоном» из этой ванны, тем самым контролируя яркость и полосу пропускания света, посылаемого на фотоэлектрический элемент.
«Вместо того, чтобы сосредоточиться на производительности систем с одним резонатором, мы рассмотрели, как эти резонаторы взаимодействуют, что открыло новые возможности», — объяснил Найк. «Это позволило нам контролировать, как фотоны сохраняются и высвобождаются».
Это избирательное излучение, полученное благодаря знаниям квантовой физики, максимизирует преобразование энергии и обеспечивает более высокую эффективность, чем раньше, работая на пределе свойств материала. Чтобы повысить недавно достигнутый КПД в 60%, необходимо разработать или открыть новые материалы с лучшими свойствами.
Эти достижения могут сделать TPV конкурентоспособной альтернативой другим технологиям хранения и преобразования энергии, таким как литий-ионные батареи, особенно в сценариях, где требуется долгосрочное хранение энергии. Найк отметил, что это нововведение имеет серьезные последствия для отраслей, генерирующих большое количество отработанного тепла, таких как атомные электростанции и производственные предприятия.
«Я убежден, что то, что мы продемонстрировали здесь, в сочетании с очень эффективным фотоэлектрическим элементом с низкой запрещенной зоной, имеет очень многообещающий потенциал», — сказал Найк. «Основываясь на моем собственном опыте работы с НАСА и запуске стартапа по возобновляемым источникам энергии, я считаю, что технологии преобразования энергии сегодня очень необходимы».
Технологии команды также могут быть использованы в космических целях, например, для питания марсоходов на Марсе.
«Если бы наш подход мог привести к повышению эффективности таких систем на 2–5%, это стало бы значительным стимулом для миссий, которые полагаются на эффективное производство электроэнергии в экстремальных условиях», — сказал Найк.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (1935–446) и Исследовательским бюро армии США.
- Рецензируемая статья:
-
Неэрмитовский селективный тепловой излучатель для термофотовольтаики | npj Нанофотоника | DOI: 10.1038/s44310-024-00044-3
Авторы: Сирил Самуэль Прасад и Гурурадж Найк.
- Доступ к связанным медиа-файлам:
.jpg)
