Исследователи из Университета Райса нашли новый способ улучшить ключевой элемент 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, который может обеспечить высокую эффективность в рамках практических проектных параметров.
Исследование может стать основой для разработки систем хранения электрической энергии тепловой энергии, которые могут стать доступной сетевой альтернативой батареям. В более широком смысле, эффективные технологии TPV могут способствовать росту возобновляемой энергетики, что является важным компонентом 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 до 20-50% тепла, используемого для преобразования сырья в потребительские товары, в конечном итоге тратится впустую, что обходится экономике Соединенных Штатов в более чем 200 миллиардов долларов ежегодно.
Системы TPV состоят из двух основных компонентов — фотоэлектрических (PV) элементов, которые преобразуют свет в электричество, и тепловых излучателей, которые превращают тепло в свет. Оба этих компонента должны работать хорошо, чтобы система была эффективной, но усилия по их оптимизации больше сосредоточены на фотоэлектрических элементах.
«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 реальные приложения», — 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 постдокторской диссертации в Национальной лаборатории Ок-Ридж ⎯ продемонстрировал новый тепловой излучатель, который обещает эффективность более 60%, несмотря на то, что он готов к использованию.
«По сути, мы показали, как добиться максимально возможной производительности излучателя с учетом реалистичных и практических конструктивных ограничений», — сказал Прасад, который является первым автором исследования.
Эмиттер состоит из металлического листа вольфрама, тонкого слоя разделительного материала и сети кремниевых наноцилиндров. При нагревании базовые слои накапливают тепловое излучение, которое можно представить как ванну фотонов. Крошечные резонаторы, расположенные сверху, «общаются» друг с другом таким образом, что позволяют им «выдергивать фотон за фотоном» из этой ванны, контролируя яркость и полосу пропускания света, посылаемого на фотоэлемент.
«Вместо того, чтобы сосредоточиться на производительности систем с одним резонатором, мы приняли во внимание способ взаимодействия этих резонаторов, что открыло новые возможности», — объяснил Найк. «Это дало нам контроль над тем, как фотоны хранятся и высвобождаются».
Такое избирательное излучение, достигнутое благодаря открытиям квантовой физики, максимизирует преобразование энергии и обеспечивает более высокую эффективность, чем это было возможно ранее, работая на пределе свойств материалов. Чтобы улучшить 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 уверен, 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 в области возобновляемых источников энергии, я думаю, что технологии преобразования энергии сегодня очень нужны».
Технологии команды также могут быть использованы в космических целях, например, для питания марсоходов на Марсе.
«Если бы наш подход мог привести к увеличению эффективности таких систем с 2% до 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:
