Квантова технологія перетворює тепло на електрику за допомогою світла: ефективність 60%

У системах TES тепловий випромінювач вловлює тепло і перетворює його на електромагнітне випромінювання, яке потім використовується фотоелектричним елементом для вироблення електроенергії.

Дослідники з Університету Райса розробили високоефективний тепловий випромінювач, який може сприяти розробці практичних і масштабованих систем TES. Він нагрівається і перетворює тепло в електромагнітне випромінювання, яке потім уловлюється фотоелектричним елементом для вироблення електроенергії, повідомляє interestingengineering.com.

Батареї неідеальні: вони зроблені з рідкісних мінералів, видобуток яких провокує викиди СО2; також вони виділяють шкідливі хімічні речовини в навколишнє середовище і мають обмежений термін служби. Що стосується зберігання енергії, то, вчені шукають більш екологічне і чисте рішення, ніж акумулятори. Одним з таких багатообіцяючих напрямків є системи зберігання теплової енергії (TES), які зберігають електрику, перетворюючи її на тепло, яке згодом може бути перетворено назад в електрику.

TES вимагають недорогих матеріалів, мають набагато триваліший термін служби порівняно з батареями і їх легше масштабувати для різних систем. Вони можуть стабілізувати поновлювані енергетичні мережі, накопичуючи додаткову сонячну або вітрову енергію, коли вона доступна, і поставляючи її під час пікового попиту. Конструкції TES часто використовують термофотоелектричну (TPV) систему для перетворення тепла в електрику.

TES включають два основні компоненти — фотоелектричні (PV) елементи, які перетворюють світло на електрику, і теплові випромінювачі, що перетворюють тепло на світло. Обидва ці компоненти повинні добре працювати, щоб система була ефективною.

Досі вчені здебільшого зосереджувалися на вдосконаленні технології PV-елементів. Однак основною перешкодою в реалізації практичних систем TPV є втрати енергії під час перетворення. Ось де в гру вступають теплові випромінювачі, технологія, якій приділяється порівняно менше уваги.

Ефективний тепловий випромінювач має вирішальне значення для мінімізації втрат енергії при її перетворенні з тепла в електрику. На жаль, традиційні конструкції TPV досі не змогли включити такий пристрій.

Використання традиційних підходів до проєктування обмежує простір проєктування теплових випромінювачів, і зрештою вчені приходили до одного з двох сценаріїв: практичні, низькопродуктивні пристрої або високопродуктивні випромінювачі, які важко інтегрувати в реальні додатки.

Дослідники Університету Райса спробували вирішити проблему. Вони розмістили численні кремнієві наноциліндри на металевому листі з вольфраму, щоб зробити тепловий детектор. Коли ця система отримує тепло, вивільняються фотони. Тим часом, наноциліндри поводяться як резонатори, призначені для поглинання певних довжин хвиль або енергій цих фотонів. Вони взаємодіють один з одним таким чином, що це дає їм змогу вибірково обирати і випускати тільки фотони з потрібною енергією. Потім ці фотони відправляються у фотоелектричні (PV) елементи, де їх можна перетворити на електрику.

Ця селективна емісія, досягнута завдяки знанням квантової фізики, максимізує перетворення енергії та забезпечує вищу ефективність, ніж це було можливо раніше.

Використовуючи квантові ефекти, резонатори здатні контролювати фотони, що випускаються на квантовому рівні, гарантуючи, що випускаються тільки найкорисніші для фотоелектричного (PV) елемента фотоелектричні фотони, що підвищує загальну ефективність системи.

У підсумку квантовий тепловий випромінювач показав вражаючу ефективність у 60%, і дослідники стверджують, що вони можуть ще більше поліпшити її, використовуючи новий матеріал.

"Якщо наш підхід може призвести до підвищення ефективності з 2% до 5% у таких системах, це стане значним стимулом для місій, які покладаються на ефективну генерацію електроенергії в екстремальних умовах", — пояснили вони.