El diseño de inspiración cuántica aumenta la eficiencia de la conversión de calor en electricidad

Investigadores de la Universidad Rice han encontrado una nueva forma de mejorar un elemento clave de los sistemas termofotovoltaicos (TPV), que convierten el calor en electricidad a través de la luz. Utilizando un enfoque poco convencional inspirado en la física cuántica, el ingeniero de Rice, Gururaj Naik, y su equipo han diseñado un emisor térmico que puede ofrecer altas eficiencias dentro de parámetros de diseño prácticos.

La investigación podría contribuir al desarrollo del almacenamiento eléctrico de energía térmica, que resulta prometedor como una alternativa asequible a escala de red a las baterías. En términos más generales, las tecnologías TPV eficientes podrían facilitar el crecimiento de la energía renovable, un componente esencial de la transición hacia un mundo neto cero. Otro beneficio importante de mejores sistemas TPV es recuperar el calor residual de los procesos industriales, haciéndolos más sostenibles. Para poner esto en contexto, entre el 20% y el 50% del calor utilizado para transformar materias primas en bienes de consumo termina desperdiciando, lo que le cuesta a la economía estadounidense más de 200 mil millones de dólares al año.

Los sistemas TPV involucran dos componentes principales: células fotovoltaicas (PV) que convierten la luz en electricidad y emisores térmicos que convierten el calor en luz. Ambos componentes deben funcionar bien para que el sistema sea eficiente, pero los esfuerzos para optimizarlos se han centrado más en la célula fotovoltaica.

«El uso de enfoques de diseño convencionales limita el espacio de diseño de los emisores térmicos, y lo que se obtiene es uno de dos escenarios: dispositivos prácticos de bajo rendimiento o emisores de alto rendimiento que son difíciles de integrar en aplicaciones del mundo real», dijo Naik. Profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática.

en un nuevo estudio publicado en npj NanofotónicaNaik y su antiguo doctorado. El estudiante Ciril Samuel Prasad, que desde entonces obtuvo un doctorado en ingeniería eléctrica e informática de Rice y asumió un papel como investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, demostró un nuevo emisor térmico que promete eficiencias superiores al 60% a pesar de su aplicación. -listo.

«Básicamente, mostramos cómo lograr el mejor rendimiento posible para el emisor teniendo en cuenta restricciones de diseño prácticas y realistas», dijo Prasad, primer autor del estudio.

El emisor está compuesto por una lámina de metal de tungsteno, una fina capa de un material espaciador y una red de nanocilindros de silicio. Cuando se calientan, las capas base acumulan radiación térmica, que puede considerarse como un baño de fotones. Los pequeños resonadores situados en la parte superior «se comunican» entre sí de una manera que les permite «extraer fotón a fotón» de este baño, controlando el brillo y el ancho de banda de la luz enviada a la célula fotovoltaica.

«En lugar de centrarnos en el rendimiento de los sistemas de un solo resonador, tomamos en cuenta la forma en que interactúan estos resonadores, lo que abrió nuevas posibilidades», explicó Naik. «Esto nos dio control sobre cómo se almacenan y liberan los fotones».

Esta emisión selectiva, lograda a través de conocimientos de la física cuántica, maximiza la conversión de energía y permite eficiencias más altas de lo que antes era posible, operando al límite de las propiedades de los materiales. Para mejorar la eficiencia del 60% recientemente alcanzada, sería necesario desarrollar o descubrir nuevos materiales con mejores propiedades.

Estas ganancias podrían convertir al TPV en una alternativa competitiva a otras tecnologías de conversión y almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, particularmente en escenarios donde se necesita almacenamiento de energía a largo plazo. Naik señaló que esta innovación tiene implicaciones importantes para las industrias que generan grandes cantidades de calor residual, como las plantas de energía nuclear y las instalaciones de fabricación.

«Estoy seguro de que lo que hemos demostrado aquí, junto con una célula fotovoltaica de baja banda prohibida muy eficiente, tiene un potencial muy prometedor», afirmó Naik. «Basándome en mi propia experiencia trabajando con la NASA y lanzando una startup en el espacio de las energías renovables, creo que las tecnologías de conversión de energía son muy necesarias hoy en día».

La tecnología del equipo también podría usarse en aplicaciones espaciales, como alimentar vehículos exploradores en Marte.

«Si nuestro enfoque pudiera conducir a un aumento en la eficiencia del 2% al 5% en tales sistemas, eso representaría un impulso significativo para las misiones que dependen de la generación eficiente de energía en ambientes extremos», dijo Naik.