Преобразование тепла в свет, а затем - в электричество

«Тепловые фотоны - это фотоны, излучаемые горячим телом». «Если посмотреть на что-то горячее с помощью инфракрасной камеры, то можно увидеть, что оно светится. Камера показывает эти термически возбужденные фотоны»

Изобретение представляет собой гиперболический тепловой излучатель, способный поглощать интенсивное тепло, которое, в противном случае, уходило бы в окружающую среду, сжимать его в узкую полосу пропускания и излучать в виде света для дальнейшего преобразования в электричество.

Это открытие служит продолжением другого исследования, проводившегося в Технической школе Брауна при Университете Райса еще в 2016 году, когда был найден простой метод для создания сильно выровненных, пластинчатых пленок из плотно упакованных углеродных нанотрубок.

Отработанное тепло

Дискуссии привели к тому, что было принято решение посмотреть, можно ли использовать эти пленки для направления «тепловых фотонов».

«Тепловые фотоны - это фотоны, излучаемые горячим телом». «Если посмотреть на что-то горячее с помощью инфракрасной камеры, то можно увидеть, что оно светится. Камера показывает эти термически возбужденные фотоны».

Инфракрасное излучение - это компонент солнечного света, который доставляет тепло на планету, но это лишь малая часть всего электромагнитного спектра.

«Любая горячая поверхность излучает свет в виде теплового излучения». «Проблема в том, что тепловое излучение широкополосное, а преобразование света в электричество эффективно только в том случае, если излучение находится в узкой полосе. Задача состояла в том, чтобы сжать широкополосные фотоны в узкую полосу».

Пленки из нанотрубок предоставили возможность изолировать средние инфракрасные фотоны, которые, иначе, были бы потрачены впустую. Это может мотивировать к широкому использованию отработанного тепла, которое составляет около 20% всего промышленного потребления энергии.

Углеродные нанотрубки могут переносить тепло

«Самый эффективный способ превращения тепла в электричество сейчас - это использование турбин и пара или какой-либо другой жидкости для приведения их в действие». «Они могут выдавать почти 50-процентную эффективность преобразования. Не многое из того, что известно на сегодня, может приблизиться к такой эффективности, но эти системы сложны для внедрения».

Выровненные углеродные нанотрубки остаются термически стабильными до 1600°C и проявляют крайнюю анизотропию: проводящий в одном направлении и изолирующий в двух других направлениях - эффект, называемый гиперболической дисперсией. Тепловые фотоны могут столкнуться с пленкой, прилетев с любого направления, но уйти только через одно.

Такая крайняя анизотропия приводит к исключительно большой фотонной плотности в среднем инфракрасном диапазоне, проявляясь в виде сильных резонансов в полостях глубины субволнового размера.

«Вместо того чтобы переходить от тепла непосредственно к электричеству, путь идет сначала от тепла к свету и уже потом к электричеству». «На первый взгляд кажется, что два этапа были бы более эффективными, чем три, но, в этом случае, это не так».

Добавление излучателей к стандартным солнечным элементам может повысить их эффективность с нынешнего пика около 22% до 80%. «Сжимая всю отработанную тепловую энергию в небольшую спектральную область, можно очень эффективно преобразовывать ее в электричество». Кроме того, нанофотонные тепловые излучатели с большой фотонной плотностью могут значительно повысить эффективность радиационного охлаждения и рекуперации отработанного тепла.

Подробнее о технологии можно прочитать в статье ACS Photonics.

Источник: Rice University