Het op kwantum geïnspireerde ontwerp verhoogt de efficiëntie van de omzetting van warmte in elektriciteit

Onderzoekers van Rice University hebben een nieuwe manier gevonden om een ​​sleutelelement van thermofotovoltaïsche (TPV) systemen, die warmte via licht omzetten in elektriciteit, te verbeteren. Met behulp van een onconventionele aanpak geïnspireerd door de kwantumfysica hebben Rice-ingenieur Gururaj Naik en zijn team een ​​thermische emitter ontworpen die hoge efficiëntie kan leveren binnen praktische ontwerpparameters.

Het onderzoek zou de ontwikkeling van thermische energie-elektrische opslag kunnen ondersteunen, die veelbelovend is als een betaalbaar alternatief op netschaal voor batterijen. Meer in het algemeen zouden efficiënte TPV-technologieën de groei van hernieuwbare energie kunnen faciliteren – een essentieel onderdeel van de transitie naar een netto-nulwereld. Een ander groot voordeel van betere TPV-systemen is het terugwinnen van restwarmte uit industriële processen, waardoor deze duurzamer worden. Om dit in context te plaatsen: tot 20 tot 50% van de warmte die wordt gebruikt om grondstoffen in consumptiegoederen om te zetten, wordt uiteindelijk verspild, wat de Amerikaanse economie jaarlijks meer dan 200 miljard dollar kost.

TPV-systemen omvatten twee hoofdcomponenten: fotovoltaïsche (PV) cellen die licht omzetten in elektriciteit en thermische emitters die warmte in licht omzetten. Beide componenten moeten goed werken om het systeem efficiënt te laten zijn, maar de inspanningen om ze te optimaliseren zijn meer op de PV-cel gericht.

“Het gebruik van conventionele ontwerpbenaderingen beperkt de ontwerpruimte van thermische emitters, en wat je uiteindelijk krijgt is een van de twee scenario’s: praktische apparaten met lage prestaties of krachtige emitters die moeilijk te integreren zijn in toepassingen in de echte wereld”, zegt Naik, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek.

In een nieuwe studie gepubliceerd in npj NanofotonicaNaik en zijn voormalige Ph.D. student Ciril Samuel Prasad – die sindsdien een doctoraat in elektrische en computertechniek heeft behaald bij Rice en een rol heeft op zich genomen als postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij het Oak Ridge National Laboratory – demonstreerde een nieuwe thermische emitter die efficiënties van meer dan 60% belooft, ondanks dat hij wordt toegepast -klaar.

“We hebben in wezen laten zien hoe we de best mogelijke prestaties voor de zender kunnen bereiken, gegeven realistische, praktische ontwerpbeperkingen”, zegt Prasad, de eerste auteur van het onderzoek.

De emitter bestaat uit een wolfraammetaalplaat, een dunne laag afstandsmateriaal en een netwerk van silicium nanocilinders. Bij verhitting accumuleren de basislagen thermische straling, die kan worden gezien als een bad van fotonen. De kleine resonatoren die bovenop zitten, ‘praten’ met elkaar op een manier die hen in staat stelt ‘foton voor foton’ uit dit bad te plukken, waardoor de helderheid en bandbreedte van het licht dat naar de PV-cel wordt gestuurd, wordt geregeld.

“In plaats van ons te concentreren op de prestaties van systemen met één resonator, hebben we in plaats daarvan rekening gehouden met de manier waarop deze resonatoren samenwerken, wat nieuwe mogelijkheden opende”, legt Naik uit. “Dit gaf ons controle over hoe de fotonen worden opgeslagen en vrijgegeven.”

Deze selectieve emissie, bereikt door inzichten uit de kwantumfysica, maximaliseert de energieconversie en maakt hogere efficiëntie mogelijk dan voorheen mogelijk was, waarbij de grenzen van de eigenschappen van de materialen worden bereikt. Om de nieuw bereikte efficiëntie van 60% te verbeteren, zouden nieuwe materialen met betere eigenschappen moeten worden ontwikkeld of ontdekt.

Deze winsten zouden TPV tot een concurrerend alternatief kunnen maken voor andere technologieën voor energieopslag en -conversie, zoals lithium-ionbatterijen, vooral in scenario’s waarin energieopslag op lange termijn nodig is. Naik merkte op dat deze innovatie aanzienlijke gevolgen heeft voor industrieën die grote hoeveelheden afvalwarmte genereren, zoals kerncentrales en productiefaciliteiten.

“Ik heb er vertrouwen in dat wat we hier hebben gedemonstreerd, in combinatie met een zeer efficiënte PV-cel met lage bandafstand, een veelbelovend potentieel heeft”, zei Naik. “Gebaseerd op mijn eigen ervaring met het werken met NASA en het lanceren van een startup op het gebied van hernieuwbare energie, denk ik dat technologieën voor energieconversie vandaag de dag hard nodig zijn.”

De technologie van het team zou ook kunnen worden gebruikt in ruimtetoepassingen zoals het aandrijven van rovers op Mars.

“Als onze aanpak zou kunnen leiden tot een verhoging van de efficiëntie van 2% naar 5% in dergelijke systemen, zou dat een aanzienlijke impuls betekenen voor missies die afhankelijk zijn van efficiënte energieopwekking in extreme omgevingen”, zei Naik.