Filmele cu nanotuburi de carbon permit metoda de reciclare a căldurii reziduale

Nanotubul de carbon din ce în ce mai umil poate fi doar dispozitivul pentru fabricarea panourilor solare - și orice altceva care pierde energie prin căldură - mult mai eficient.

dispozitivului

Oamenii de știință de la Universitatea Rice proiectează matrice de nanotuburi de carbon aliniate cu un singur perete pentru a canaliza radiația infraroșu mediu (aka căldură) și pentru a crește foarte mult eficiența sistemelor de energie solară.

Gururaj Naik și Junichiro Kono de la Rice's Brown School of Engineering au introdus tehnologia lor în ACS Photonics.

Invenția lor este un emițător termic hiperbolic care poate absorbi căldură intensă care altfel ar fi aruncată în atmosferă, o va strânge într-o lățime de bandă îngustă și o va emite ca lumină care poate fi transformată în electricitate.

Descoperirea se bazează pe o altă realizare a grupului Kono în 2016, când a găsit o metodă simplă de a face filme foarte aliniate, la scară de napolitane, din nanotuburi ambalate strâns.

Discuțiile cu Naik, care s-a alăturat lui Rice în 2016, au condus perechea să vadă dacă filmele pot fi folosite pentru a direcționa „fotoni termici”.

„Fotonii termici sunt doar fotoni emiși dintr-un corp fierbinte”, a spus Kono. "Dacă te uiți la ceva fierbinte cu o cameră cu infraroșu, o vezi strălucitoare. Camera captează acești fotoni excitați termic."

Radiația infraroșie este o componentă a razelor solare care furnizează căldură planetei, dar este doar o mică parte a spectrului electromagnetic. „Orice suprafață fierbinte emite lumină ca radiație termică”, a spus Naik. „Problema este că radiația termică este în bandă largă, în timp ce conversia luminii în electricitate este eficientă numai dacă emisia se află într-o bandă îngustă.

"Provocarea a fost de a strânge fotonii de bandă largă într-o bandă îngustă", a spus el.

Filmele cu nanotuburi au oferit o oportunitate de a izola fotonii cu infraroșu mediu care altfel ar fi risipiți. „Aceasta este motivația”, a spus Naik. "Un studiu realizat de Chloe Doiron (co-autor și student absolvent Rice) a constatat că aproximativ 20% din consumul nostru de energie industrială este căldură reziduală. Este vorba de trei ani de energie electrică doar pentru statul Texas. Este o cantitate mare de energie irosită.

"Cel mai eficient mod de a transforma căldura în energie electrică acum este de a folosi turbine și abur sau alt lichid pentru a le conduce", a spus el. "Vă pot oferi o eficiență de conversie de aproape 50%. Nimic altceva nu ne apropie de asta, dar aceste sisteme nu sunt ușor de implementat." Naik și colegii săi își propun să simplifice sarcina cu un sistem compact care nu are părți mobile.

Filmele aliniate cu nanotuburi sunt conducte care absorb căldura reziduală și o transformă în fotoni cu lățime de bandă îngustă. Deoarece electronii din nanotuburi pot călători doar într-o singură direcție, filmele aliniate sunt metalice în acea direcție în timp ce izolează în direcția perpendiculară, un efect Naik numit dispersie hiperbolică. Fotonii termici pot lovi filmul din orice direcție, dar pot pleca doar printr-o singură.

„În loc să trecem de la căldură direct la electricitate, trecem de la căldură la lumină la electricitate”, a spus Naik. "Se pare că două etape ar fi mai eficiente decât trei, dar aici, nu este cazul."

Naik a spus că adăugarea emițătorilor la celulele solare standard ar putea spori eficiența lor de la vârful actual de aproximativ 22%. „Prin strângerea întregii energii termice irosite într-o mică regiune spectrală, o putem transforma în electricitate foarte eficient”, a spus el. "Predicția teoretică este că putem obține o eficiență de 80%."

Filmele cu nanotuburi se potrivesc sarcinii, deoarece se ridică la temperaturi de până la 1.700 grade Celsius (3.092 grade Fahrenheit). Echipa Naik a construit dispozitive cu dovezi de concept care le-au permis să funcționeze până la 700 C (1.292 F) și să confirme ieșirea pe bandă îngustă. Pentru a le face, echipa a modelat matrici de cavități la scară submicronică în filmele de dimensiuni cip.

"Există o serie de astfel de rezonatori și fiecare dintre ei emite fotoni termici doar în această fereastră spectrală îngustă", a spus Naik. „Ne propunem să le colectăm folosind o celulă fotovoltaică și să o convertim în energie și să arătăm că o putem face cu o eficiență ridicată”.

Cercetătorul postdoctoral Rice Weilu Gao este co-autor și student absolvent Xinwei Li este co-autor. Kono este profesor de inginerie electrică și computerizată, de fizică și astronomie și de știința materialelor și nanoinginerie. Naik este profesor asistent de inginerie electrică și informatică. Programul de bază al științei energetice al Departamentului Energiei, al Fundației Naționale pentru Științe și al Fundației Robert A. Welch a susținut cercetarea.