Квантовая технология превращает тепло в электричество с помощью света: эффективность 60%

Исследователи из Университета Райса разработали высокоэффективный тепловой излучатель, который может способствовать разработке практичных и масштабируемых систем TES. Он нагревается и преобразует тепло в электромагнитное излучение, которое затем улавливается фотоэлектрическим элементом для выработки электроэнергии, сообщает interestingengineering.com.

Батареи неидеальны: они сделаны из редких минералов, добыча которых провоцирует выбросы СО2; также они выделяют вредные химические вещества в окружающую среду и имеют ограниченный срок службы. Что касается хранения энергии, то, ученые ищут более экологичное и чистое решение, чем аккумуляторы. Одним из таких многообещающих направлений являются системы хранения тепловой энергии (TES), которые хранят электричество, преобразуя его в тепло, которое впоследствии может быть преобразовано обратно в электричество.

TES требуют недорогих материалов, имеют гораздо более длительный срок службы по сравнению с батареями и их легче масштабировать для разных систем. Они могут стабилизировать возобновляемые энергетические сети, накапливая дополнительную солнечную или ветровую энергию, когда она доступна, и поставляя ее во время пикового спроса. Конструкции TES часто используют термофотоэлектрическую (TPV) систему для преобразования тепла в электричество.

TES включают два основных компонента — фотоэлектрические (PV) элементы, которые преобразуют свет в электричество, и тепловые излучатели, превращающие тепло в свет. Оба эти компонента должны хорошо работать, чтобы система была эффективной.

До сих пор ученые в основном сосредоточивались на совершенствовании технологии PV-элементов. Однако основным препятствием в реализации практичных систем TPV являются потери энергии во время преобразования. Вот где в игру вступают тепловые излучатели, технология, которой уделяется сравнительно меньше внимания.

Эффективный тепловой излучатель имеет решающее значение для минимизации потерь энергии при ее преобразовании из тепла в электричество. К сожалению, традиционные конструкции TPV до сих пор не смогли включить такое устройство.

Использование традиционных подходов к проектированию ограничивает пространство проектирования тепловых излучателей, и в конечном итоге ученые приходили к одному из двух сценариев: практичные, низкопроизводительные устройства или высокопроизводительные излучатели, которые трудно интегрировать в реальные приложения.

Исследователи Университета Райса попытались решить проблему. Они разместили многочисленные кремниевые наноцилиндры на металлическом листе из вольфрама, чтобы сделать тепловой детектор. Когда эта система получает тепло, высвобождаются фотоны. Между тем, наноцилиндры ведут себя как резонаторы, предназначенные для поглощения определенных длин волн или энергий этих фотонов. Они взаимодействуют друг с другом таким образом, что это позволяет им избирательно выбирать и испускать только фотоны с нужной энергией. Затем эти фотоны отправляются в фотоэлектрические (PV) элементы, где их можно преобразовать в электричество.

Эта селективная эмиссия, достигнутая благодаря знаниям квантовой физики, максимизирует преобразование энергии и обеспечивает более высокую эффективность, чем это было возможно ранее.

Используя квантовые эффекты, резонаторы способны контролировать фотоны, испускаемые на квантовом уровне, гарантируя, что испускаются только самые полезные для фотоэлектрического (PV) элемента фотоэлектрические фотоны, что повышает общую эффективность системы.

В итоге квантовый тепловой излучатель показал впечатляющую эффективность в 60%, и исследователи утверждают, что они могут еще больше улучшить ее, используя новый материал.

"Если наш подход может привести к повышению эффективности с 2% до 5% в таких системах, это станет значительным стимулом для миссий, которые полагаются на эффективную генерацию электроэнергии в экстремальных условиях", — пояснили они.

Ране мы писали, что сточные воды могут принести неожиданную пользу. Нова технология позволяет использовать тепло из сточных вод, чтобы нагревать чистую воду в душах, кранах, а также стиральных и посудомоечных машинах.