Νανοσωματίδια αυτοσυναρμολογούνται για τη δημιουργία μιας επαναστατικής λύσης συλλογής ηλιακής ενέργειας

Η ηλιοθερμική τεχνολογία είναι μια πολλά υποσχόμενη φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος συλλογής ενέργειας με πιθανό ρόλο στην επίλυση της ενεργειακής κρίσης των ορυκτών καυσίμων.

Η τεχνολογία μετατρέπει το ηλιακό φως σε θερμική ενέργεια, αλλά είναι πρόκληση η καταστολή της διάχυσης ενέργειας με ταυτόχρονη διατήρηση της υψηλής απορρόφησης. Οι υπάρχουσες συσκευές συγκομιδής ηλιακής ενέργειας που βασίζονται στη μικρο- ή νανο- μηχανική δεν έχουν επαρκή επεκτασιμότητα και ευελιξία και θα απαιτηθεί μια νέα στρατηγική για τη δέσμευση του ηλιακού φωτός υψηλής απόδοσης με ταυτόχρονη απλούστευση της κατασκευής και μείωση του κόστους.

Στο APL Photonics, από την AIP Publishing, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Harbin, το Πανεπιστήμιο Zhejiang, το Ινστιτούτο Οπτικής Changchun και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης σχεδίασαν έναν ηλιακό συλλέκτη με βελτιωμένες δυνατότητες μετατροπής ενέργειας.

Η συσκευή χρησιμοποιεί ένα ημιπεριοδικό μοτίβο νανοκλίμακας - που σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της είναι ένα εναλλασσόμενο και συνεπές μοτίβο, ενώ το υπόλοιπο τμήμα περιέχει τυχαίες ατέλειες (σε αντίθεση με μια νανοκατασκευασμένη δομή) που δεν επηρεάζουν την απόδοσή της. Στην πραγματικότητα, η χαλάρωση των αυστηρών απαιτήσεων για την περιοδικότητα της δομής αυξάνει σημαντικά την επεκτασιμότητα της συσκευής.

Η διαδικασία κατασκευής κάνει χρήση αυτοσυναρμολογούμενων νανοσωματιδίων, τα οποία σχηματίζουν μια οργανωμένη δομή υλικού με βάση τις αλληλεπιδράσεις τους με γειτονικά σωματίδια χωρίς εξωτερικές οδηγίες.

Η θερμική ενέργεια που συλλέγεται από τη συσκευή μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας θερμοηλεκτρικά υλικά.

"Η ηλιακή ενέργεια μεταφέρεται ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων", δήλωσε ο συγγραφέας Ying Li του Πανεπιστημίου Zhejiang. "Ένας καλός ηλιοθερμικός συλλέκτης θα πρέπει να είναι σε θέση να απορροφήσει το κύμα και να θερμανθεί, μετατρέποντας έτσι την ηλιακή ενέργεια σε θερμική. Η διαδικασία απαιτεί υψηλή απορρόφηση (το 100% είναι τέλειο) και ένας ηλιακός συλλέκτης θα πρέπει επίσης να καταστέλλει τη θερμική ακτινοβολία του για να διατηρήσει τη θερμική ενέργεια, κάτι που απαιτεί χαμηλή θερμική εκπομπή (μηδέν σημαίνει καμία ακτινοβολία)".

Για την επίτευξη αυτών των στόχων, ένας συλλέκτης είναι συνήθως ένα σύστημα με περιοδική νανοφωτονική δομή. Ωστόσο, η ευελιξία και η επεκτασιμότητα αυτών των μονάδων μπορεί να είναι περιορισμένες λόγω της ακαμψίας του μοτίβου και του υψηλού κόστους κατασκευής.

"Σε αντίθεση με προηγούμενες στρατηγικές, η δική μας ημιπεριοδική νανοφωτονική δομή αυτοσυναρμολογείται από νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (Fe₃O₄), αντί για μια δυσκίνητη και δαπανηρή νανοκατασκευή", δήλωσε ο Li.

Η ημιπεριοδική νανοφωτονική δομή τους επιτυγχάνει υψηλή απορροφητικότητα (μεγαλύτερη από 94%), κατασταλμένη θερμική εκπομπή (μικρότερη από 0,2) και υπό φυσικό ηλιακό φωτισμό, ο απορροφητής διαθέτει γρήγορη και σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας (μεγαλύτερη από 80° C).

Με βάση τον απορροφητή, η ομάδα κατασκεύασε έναν εύκαμπτο επίπεδο ηλιακό θερμοηλεκτρικό συλλέκτη, ο οποίος πέτυχε σημαντική τάση διατήρησης άνω των 20 millivolts ανά τετραγωνικό εκατοστό. Αναμένουν ότι μπορεί να τροφοδοτήσει 20 διόδους εκπομπής φωτός ανά τετραγωνικό μέτρο ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτή η στρατηγική μπορεί να εξυπηρετήσει εφαρμογές χαμηλής πυκνότητας ισχύος για πιο ευέλικτη και κλιμακούμενη μηχανική της συγκομιδής ηλιακής ενέργειας.

"Ελπίζουμε ότι η ημιπεριοδική νανοφωτονική δομή μας θα εμπνεύσει άλλες εργασίες", δήλωσε ο Li. "Αυτή η εξαιρετικά ευπροσάρμοστη δομή και η θεμελιώδης έρευνά μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση του ανώτερου ορίου της συγκομιδής ηλιακής ενέργειας, όπως οι ευέλικτες κλιμακούμενες ηλιακές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, οι οποίες μπορούν να χρησιμεύσουν ως βοηθητικό στοιχείο συγκομιδής ηλιακής ενέργειας για την αύξηση της συνολικής απόδοσης των φωτοβολταϊκών αρχιτεκτονικών".