Para ilmuwan hanya menggandakan output daya dengan melanggar batas termal

Para ilmuwan telah menemukan cara untuk mengubah panas yang terbuang menjadi listrik yang bersih lebih efisien daripada sebelumnya.

Perangkat TPV baru mereka mematahkan batas konversi energi tradisional dengan menggunakan spacer kaca yang murah alih -alih ruang hampa. Desain yang mengubah permainan ini menggandakan kepadatan daya tanpa memerlukan suhu ekstrem, menjadikannya solusi yang layak untuk industri seperti manufaktur dan penyimpanan energi terbarukan.

Mengubah panas menjadi kekuasaan: penemuan revolusioner

Sebuah tim insinyur dan ilmuwan material di Departemen Teknik Mesin Paul M. Rady Cu Boulder telah mengembangkan teknologi inovatif yang mengubah radiasi termal menjadi listrik – mendorong batas fisika termal mendasar.

Penemuan ini berasal dari CUI Research Group, yang dipimpin oleh Asisten Profesor Longji Cui, bekerja sama dengan para peneliti dari National Renewable Energy Laboratory (NREL) dan University of Wisconsin-Madison. Temuan mereka baru -baru ini diterbitkan di Ilmu Energi & Lingkungan.

Inovasi ini memiliki potensi untuk merevolusi manufaktur dengan meningkatkan pembangkit listrik tanpa mengandalkan sumber panas suhu tinggi atau bahan yang mahal. Teknologi ini dapat menyimpan energi bersih, mengurangi emisi karbon, dan secara efisien menangkap panas dari panas bumi, nuklir, dan pembangkit listrik tenaga surya di seluruh dunia.

Sederhananya, Cui dan timnya telah memecahkan tantangan kuno: bagaimana melakukan lebih banyak dengan lebih sedikit.

“Panas adalah sumber energi terbarukan yang sering diabaikan,” kata Cui. “Dua pertiga dari semua energi yang kami gunakan berubah menjadi panas. Pikirkan penyimpanan energi dan pembangkit listrik yang tidak melibatkan bahan bakar fosil. Kita dapat memulihkan beberapa energi termal yang terbuang ini dan menggunakannya untuk membuat listrik yang bersih. ”

Melanggar batas fisik dalam ruang hampa

Proses industri suhu tinggi dan teknik pemanenan energi terbarukan sering kali menggunakan metode konversi energi termal yang disebut Thermophotovoltaics (TPV). Metode ini memanfaatkan energi termal dari sumber panas suhu tinggi untuk menghasilkan listrik.

Tetapi perangkat TPV yang ada memiliki satu kendala: hukum radiasi termal Planck.

“Hukum Planck, salah satu undang -undang paling mendasar dalam fisika termal, membatasi energi termal yang tersedia yang dapat dimanfaatkan dari sumber suhu tinggi pada suhu apa pun,” kata CUI, juga anggota fakultas yang berafiliasi dengan program ilmu material dan rekayasa dan Pusat Eksperimen pada bahan kuantum. “Para peneliti telah mencoba bekerja lebih dekat atau mengatasi batas ini menggunakan banyak ide, tetapi metode saat ini terlalu rumit untuk memproduksi perangkat, mahal dan tidak dapat dikalurkan.”

Di situlah kelompok CUI masuk. Dengan merancang perangkat TPV yang unik dan kompak yang dapat muat di tangan manusia, tim dapat mengatasi batas vakum yang ditentukan oleh hukum Planck dan menggandakan kepadatan daya yang dihasilkan yang sebelumnya dicapai oleh desain TPV konvensional.

“Ketika kami menjelajahi teknologi ini, kami secara teoritis memprediksi tingkat peningkatan yang tinggi. Tapi kami tidak yakin seperti apa nantinya dalam percobaan dunia nyata, ”kata Mohammad Habibi, seorang mahasiswa PhD di laboratorium CUI dan pemimpin teori dan eksperimen penelitian ini. “Setelah melakukan percobaan dan memproses data, kami melihat peningkatan diri sendiri dan tahu itu sesuatu yang hebat.”

Solusi celah nol-vacuum menggunakan kaca

Penelitian ini muncul, sebagian, dari keinginan kelompok untuk menantang batas. Tetapi untuk berhasil, mereka harus memodifikasi desain TPV yang ada dan mengambil pendekatan yang berbeda.

“Ada dua metrik kinerja utama dalam hal perangkat TPV: efisiensi dan kepadatan daya,” kata CUI. “Kebanyakan orang fokus pada efisiensi. Namun, tujuan kami adalah untuk meningkatkan daya. ”

Untuk melakukannya, tim menerapkan apa yang disebut solusi “nol-vacuum gap” ke dalam desain perangkat TPV mereka. Tidak seperti model TPV lain yang menampilkan kekosongan atau celah yang dipenuhi gas antara sumber termal dan sel surya, desainnya menampilkan spacer terisolasi, indeks tinggi dan transparan inframerah yang terbuat dari kaca saja.

Ini menciptakan saluran kepadatan daya tinggi yang memungkinkan gelombang panas termal untuk melakukan perjalanan melalui perangkat tanpa kehilangan kekuatan, secara drastis meningkatkan pembangkit listrik. Bahannya juga sangat murah, salah satu kartu panggilan sentral perangkat.

“Sebelumnya, ketika orang ingin meningkatkan kepadatan daya, mereka harus meningkatkan suhu. Katakanlah peningkatan dari 1.500 C menjadi 2.000 C. Kadang -kadang bahkan lebih tinggi, yang akhirnya menjadi tidak dapat ditoleransi dan tidak aman untuk seluruh sistem energi, ”jelas Cui. “Sekarang kita dapat bekerja dalam suhu yang lebih rendah yang kompatibel dengan sebagian besar proses industri, semuanya sambil tetap menghasilkan daya listrik yang sama dari sebelumnya. Perangkat kami beroperasi pada 1.000 C dan menghasilkan daya yang setara dengan 1.400 C di perangkat TPV yang terintegrasi dengan GAP yang ada. ”

Kelompok itu juga mengatakan desain kaca mereka hanyalah puncak gunung es. Bahan lain dapat membantu perangkat menghasilkan lebih banyak daya.

“Ini adalah demonstrasi pertama dari konsep TPV baru ini,” jelas Habibi. “Tetapi jika kami menggunakan bahan murah lainnya dengan sifat yang sama, seperti silikon amorf, ada potensi untuk peningkatan kepadatan daya yang lebih tinggi, hampir 20 kali lebih banyak. Itulah yang ingin kami jelajahi selanjutnya. “

Dampak komersial yang lebih luas

CUI mengatakan perangkat TPV baru mereka akan membuat dampak terbesar mereka dengan memungkinkan generator daya portabel dan mendekarbonisasi industri emisi berat. Setelah dioptimalkan, mereka memiliki kekuatan untuk mengubah proses industri suhu tinggi, seperti produksi kaca, baja, dan semen dengan listrik yang lebih murah dan lebih bersih.

“Perangkat kami menggunakan teknologi komersial yang sudah ada. Ini dapat meningkatkan secara alami untuk diimplementasikan di industri -industri ini, ”kata CUI. “Kami dapat memulihkan panas yang terbuang dan dapat memberikan penyimpanan energi yang mereka butuhkan dengan perangkat ini pada suhu kerja yang rendah.

“Kami memiliki paten yang tertunda berdasarkan teknologi ini dan sangat menarik untuk mendorong inovasi terbarukan ini ke depan dalam bidang pembangkit listrik dan pemulihan panas.”

Referensi: “Densitas Daya yang Ditingkatkan di Perangkat Thermophotovoltaic Zero-Vacuum-Gap” oleh Mohammad Habibi, Sai C. Yelishala, Yunxuan Zhu, Eric J. Tervo, Myles A. Steiner dan Longji Cui, 27 Desember 2024, Ilmu Energi & Lingkungan.
Doi: 10.1039/d4ee04604h