Inżynierowie z Rice University opracowali nowatorską metodę poprawy wydajności systemów termofotowoltaicznych (TPV), które przekształcają ciepło w energię elektryczną za pośrednictwem światła. Zespół kierowany przez prof. Gururaja Naika, zainspirowany fizyką kwantową, stworzył selektywny emiter cieplny, który zapewnia wysoką wydajność przy praktycznych parametrach projektowych. Szczegóły odkrycia opisano w czasopiśmie npj Nanophotonics.
Czytaj też: Jest ciepło, będzie energia elektryczna. Oto przełomowy sposób na jej pozyskiwanie
Prof. Gururaj Naik powiedział:
Przy użyciu tradycyjnych metod projektowych emitery cieplne mają ograniczone możliwości – albo są praktyczne, ale o niskiej wydajności, albo osiągają wysokie parametry, ale są trudne do wdrożenia w rzeczywistych warunkach. Tymczasem nasze podejście pozwala zoptymalizować wydajność emiterów w realistycznych ramach projektowych.
Ciepło zamienione w elektryczność – nie za pomocą magii a fizyki kwantowej
Systemy TPV składają się z dwóch głównych komponentów – ogniw fotowoltaicznych (PV), które zamieniają światło na energię elektryczną, oraz emiterów cieplnych, które zamieniają ciepło na światło. Oba te komponenty muszą dobrze działać, aby system był wydajny, ale wysiłki mające na celu ich optymalizację skupiają się bardziej na ogniwach PV.
Czytaj też: Okiełznali ciepło ze Słońca do perfekcji. Nowa era w magazynowaniu energii słonecznej
Lepsze emitery cieplne mogą także pomóc w odzyskiwaniu ciepła odpadowego z procesów przemysłowych, co ma ogromne znaczenie ekologiczne i ekonomiczne. Obecnie w USA marnuje się 20-50 proc. energii cieplnej w przemyśle, co przekłada się na straty rzędu 200 mld dol. rocznie.
Nowy emiter składa się z arkusza metalu wolframowego, cienkiej warstwy materiału dystansowego oraz sieci nanocylindrów krzemowych. Po podgrzaniu warstwy bazowe gromadzą promieniowanie cieplne, które można postrzegać jako “kąpiel fotonów”. Maleńkie rezonatory umieszczone na górze pozwalają na selektywne “wydobywanie” fotonów, co kontroluje jasność i zakres spektralny emitowanego światła. Wyniki wskazują, że systemy TPV mogą osiągnąć wydajność ponad 60 proc.
Technologia ma potencjał, aby stać się konkurencyjną alternatywą dla ogniw litowo-jonowych, szczególnie w zastosowaniach wymagających długoterminowego magazynowania energii. Może znaleźć zastosowanie m.in. w elektrowniach jądrowych i zakładach produkcyjnych, a także w przestrzeni kosmicznej, np. do zasilania łazików marsjańskich. Naik podkreśla, że nawet niewielki wzrost efektywności systemów TPV może znacząco wpłynąć na wydajność misji w ekstremalnych warunkach.
Prof. Gururaj Naik podsumował:
Jestem przekonany, że to, co tutaj zademonstrowaliśmy, w połączeniu z bardzo wydajnym ogniwem fotowoltaicznym o niskiej przerwie energetycznej, ma bardzo obiecujący potencjał. Na podstawie mojego własnego doświadczenia we współpracy z NASA i uruchomieniu start-upu w branży energii odnawialnej uważam, że technologie konwersji energii są obecnie bardzo potrzebne.