Дослідники Університету Райса створили високоефективний квантовий тепловий випромінювач, здатний перетворювати тепло в електрику з ефективністю 60%, що відкриває нові горизонти для накопичення енергії в системах TES (теплового накопичення енергії).
Системи теплового накопичення енергії (TES) є перспективною альтернативою традиційним батареям, які мають низку екологічних недоліків, зокрема обмежений термін служби, видобуток дефіцитних матеріалів і значні шкідливі викиди. TES перетворюють електроенергію в тепло, яке можна накопичувати, а згодом, за потреби, знову трансформувати в електрику. Ці системи є дешевшими, довговічнішими та простішими у масштабуванні для мережевих енергетичних потреб, зокрема для стабілізації відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова енергетика.
Ключовим компонентом TES є тепловий випромінювач, який нагрівається, поглинаючи тепло, і випромінює електромагнітні хвилі, що спрямовуються на фотоелектричні елементи для перетворення на електроенергію. Дослідники Університету Райса впровадили інноваційний підхід до розробки такого випромінювача, оптимізуючи його на основі принципів квантової фізики.
Інновація: квантова вибірковість випромінювання
Нова технологія базується на використанні кремнієвих наноциліндрів, розміщених на вольфрамовій основі. Ці наноциліндри функціонують як резонатори, які «спілкуються» один з одним і вибірково випускають лише ті фотони, які відповідають потрібним енергетичним параметрам для ефективного перетворення у фотоелектричних (PV) елементах. Використовуючи ці квантові ефекти, випромінювач досягає значної ефективності, зменшуючи втрати енергії, що є одним із найбільших викликів для традиційних систем термофотоелектричного (TPV) перетворення.
“Ці системи включають два основні компоненти – фотоелектричні (ФЕ) елементи, які перетворюють світло в електрику, і теплові випромінювачі, які перетворюють тепло на світло. Обидва ці компоненти повинні добре працювати, щоб система була ефективною”, – зазначає команда Університету Райса.
Цей квантовий механізм дозволяє максимально точно контролювати спектр випромінюваних фотонів, що забезпечує мінімізацію втрат енергії та підвищення продуктивності системи. За словами одного з авторів дослідження, доцента Університету Райса Гурураджа Найка, попередні методи проєктування теплових випромінювачів обмежувалися або низькою ефективністю пристроїв, або складністю їх інтеграції у практичні системи.
Прорив у ефективності: 60% і перспективи
Новий випромінювач досяг ефективності у 60%, що є значним досягненням у сфері TES. Дослідники також зазначають, що використання нових матеріалів може ще більше підвищити цей показник. Для систем TPV, де втрати енергії є серйозною перешкодою, навіть невелике підвищення ефективності (наприклад, на 2–5%) може мати значний вплив, зокрема для місій, що потребують надійного виробництва енергії в екстремальних умовах.
Крім того, впровадження таких високоефективних випромінювачів може зробити TES доступнішими та масштабованішими, сприяючи переходу до екологічно чистих енергетичних систем. Завдяки цій технології відновлювана енергія може бути збережена з мінімальними втратами, а її використання стане більш економічним та практичним.
Вплив на енергетику майбутнього
Це дослідження відкриває нові перспективи для TES, роблячи їх більш ефективними та доступними для комерційного використання. Завдяки застосуванню квантових резонаторів вдалося вирішити одну з ключових проблем TES – енергетичні втрати під час перетворення тепла на електрику. Такі розробки здатні не лише оптимізувати використання відновлюваних джерел енергії, але й сприяти енергетичній незалежності та зменшенню впливу людства на довкілля.
Дослідження опубліковане у журналі npj Nanophotonics і є важливим кроком у розвитку чистих енергетичних технологій, які відповідають глобальним вимогам до сталого розвитку.
