Согласно исследованию, цикл Ранкина значительно менее эффективен, чем даже цикл Карно, и наноструктурированные полупроводники могут в действительности существенно повысить эту эффективность

Нанонаука появилась в результате междисциплинарного сотрудничества между физикой, химией, биотехнологией, материаловедением и техническими методами изучения совокупностей свойств атомов и молекул.

В большей степени, чем в других областях, нанотехнологии требуют интеграции многих научных, инженерно-технических дисциплин и компетенций, способных оказать огромное влияние на развитие энергетики на каждом этапе технологической цепочки: от производства до потребления.

Преобразование энергии

Нанотехнологии позволяют перерабатывать первичные источники энергии более эффективным и экологически чистым способом. Ярким примером служит процесс преобразования солнечного света, называемого фотоэлектрической энергией, в электричество, где наноструктурированные материалы и нанотехнологии находят широкое применение. [1]

Активно изучается использование квантовых точек, представляющих собой крошечные пузырьки одного полупроводника, выращенных на поверхности другого. [2]

Термоэлектрическое преобразование энергии с использованием наноструктурированных полупроводников помогает утилизировать отработанное тепло.

Тепловой двигатель превращает часть потока тепловой энергии от более горячего тела к более холодному в полезную работу. Максимальный КПД, которого он может достичь, - это коэффициент эффективности тепловой машины, предложенный Сади Карно. Эффективность Карно зависит от температуры как холодильного, так и нагревательного источника. Для паровой турбины теоритическая эффективность при разности начальной и конечной температуры пара в 523 градусов Цельсия составит 63,8%. [3]

На практике, однако, предел Карно не применяется даже теоретически. Для инженерного удобства пару «позволяется» расширяться как можно более энтропийно, насколько это возможно, основываясь на так называемом цикле Ранкина, и это расширение создает работу, вращая лопасти турбины.

Согласно исследованию НАСА, цикл Ранкина значительно менее эффективен, чем даже цикл Карно, и наноструктурированные полупроводники могут в действительности существенно повысить эту эффективность.

Кроме этого, известно, что каталитические процессы могут быть улучшены и стать более селективными благодаря использованию определенных видов наноматериалов. Целый ряд производственных процессов, связанных с химическими веществами, может стать более эффективным. В определенных случаях наноматериалы могут заменить токсичные тяжелые металлы. [4]

Хранение энергии

Использование нанотехнологий в производстве батарей обладает множеством преимуществ. Во-первых, с использованием усовершенствованного электродного материала уменьшается вероятность воспламенения батарей.

Нанотехнологии могут увеличить доступную мощность аккумулятора и сократить время, необходимое для его зарядки. [5]

Эти преимущества, например, достигаются покрытием поверхности электрода наночастицами. Увеличенная площадь поверхности усиливает ток между электродом и химическими веществами внутри батареи.

Применение нанотехнологий может повысить эффективность гибридных транспортных средств за счет значительного уменьшения веса аккумуляторов, необходимых для хранения достаточного количества энергии. [2]

Использование наноматериалов может увеличить срок службы батареи, препятствуя разрядке низкого уровня. [5]

Распределение энергии

Нанотехнологии могут уменьшить потери энергии в пиковые нагрузки при ее распределении. Необычайная электропроводность наночастиц, таких как углеродные нанотрубки, может применяться при изготовлении электрических кабелей и линий электропередачи.

Исследователи научились внедрять кремниевых наночастицы в графен. Они выращивают кремниевые нанопроволоки на подложке из нержавеющей стали и демонстрируют, что батареи, использующие электроды из таких материалов, могут в 10 раз повысить плотность энергии обычных литий-ионных батарей. [5]

Использование энергии

Есть все основания полагать, что технологии на основе наноматериалов предоставляют реальные возможности в достижении положительных экологических целей за счет совершенствования технологий, способных уменьшить всеобщую зависимость от ископаемого топлива.

Разработка инновационных способов хранения богатых энергией газов может значительно повысить уровень развития энергетических систем. Металлические органические каркасы представляют собой высокопористые органические матричные вещества, которые могут хранить водород или природный газ.

В кубических наноструктурах, имеющих вид металлоорганического каркаса, внутренняя часть куба содержит множество взаимосвязанных пор нанометрового размера с большой площадью поверхности. [4]

Эти структуры могут использоваться в качестве источников энергии для многих устройств, например, ноутбуков. Крошечные топливные элементы могут служить перезаряжаемой средой хранения энергии.

В настоящее время огромное количество энергии расходуется на освещение жилых домов и рабочих зон. Более эффективные технологии освещения, основанные на нанотехнологиях, создают огромные экологические преимущества.

Вывод

Нанотехнологии повышают энергоэффективность всех отраслей промышленности, обеспечивая экономически эффективное использование возобновляемой энергии посредством внедрения новых технологических решений и оптимизации существующих технологий производства.

В долгосрочной перспективе будет достигнут существенный вклад в устойчивое энергоснабжение и глобальную политику защиты окружающей среды.

 

Источник:

Dahee Chung. «Нанотехнологии в энергетике».

Ссылки:

[1] L. Goldman и C. Coussens, «Значения нанотехнологий для исследований в области защиты окружающей среды» (National Academies Press, 2005).

[2] «Нанотехнологии и энергетика», Департамент науки и технологий, Южно-Африканская Республика, февраль 2011 г.

[3] J. V. Sengers, R. S. Basu, и J. M. H. Levelt Sengers, «Типовые уравнения для термодинамических и кинетических свойств жидкостей вблизи критической точки газ-жидкость», Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США, май 1981 г.

[4] L. Zang, ed., «Энергоэффективность и возобновляемая энергия с использованием нанотехнологий» (Springer, 2011).

[5] S. Li, «Обзор нанобатареи», Physics 240, Stanford University, осень 2010.

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

  • Дата:12.05.2020
  • Просмотры:229
  • Источник: Stanford University