Сбор энергии отходящего тепла

Отработанное тепло могло бы стать ценным источником энергии - если бы мы смогли найти способ его эффективно собрать.

У двух исследователей из Университета Дьюка есть план сделать именно это. Они разработали новое термофотоэлектрическое устройство, которое собирает энергию отработанного тепла путем сбора волны инфракрасного излучения.

Их устройство предназначено для улучшения термофотоэлектричества для такого типа солнечного элемента, который использует инфракрасное излучение или тепло, а не видимый свет, поглощенный традиционными солнечными элементами.

Ученые работают над созданием термофотоэлектрических материалов, которые достаточно практичны для сбора тепловой энергии в горячих местах, например, вокруг печей, используемых в стекольной промышленности. Они также могут быть использованы для конвертации тепла, поступающего от двигателей транспортных средств, в энергию для зарядки автомобильной батареи.

«Поскольку инфракрасное излучение или интенсивность излучения контролируемо, этот новый инфракрасный излучатель может обеспечить индивидуальный способ сбора и использования энергии от тепла», - сказал Вилли Дж. Падилья (Willie J. Padilla) из Университета Дьюка, Северная Каролина. «Существует большой интерес в использовании отработанного тепла, и наша технология может улучшить этот процесс».

Устройство использует метаматериалы, синтетические материалы, которые демонстрируют свойства, недоступные природным, их разрабатывали для высокоэффективного поглощения и излучения инфракрасных волн.

Объединив метаматериал с электронно-управляемым движением, доступным с помощью микроэлектромеханических систем (MEMS), исследователи создали первое метаматериаловое устройство с инфракрасными свойствами излучения, которое может быть быстро изменено попиксельно.

Крошечное термофотовальное устройство - это матрица с 8 × 8 индивидуальными управляемыми пикселями, каждая размером 120 × 120 микрон.

Ученые продемонстрировали работу устройства с метаматериалами MEMS, создав букву «D», видимую с помощью инфракрасной камеры.

Исследователи сообщают, что их инфракрасный излучатель может достигать диапазона интенсивности ИК излучения и может отображать образцы со скоростью до 110 кГц или более 100 000 раз в секунду.

В отличие от методов, обычно используемых для достижения переменного излучения инфрокрасного диапазона длин волн, новая технология излучает настраиваемую энергию инфрокрасного излучения без какого-либо изменения температуры.

Поскольку материал не нагревается и не охлаждается, устройство можно использовать при комнатной температуре, в то время как другие методы требуют высоких рабочих температур. Хотя эксперименты с природными материалами были успешными при комнатной температуре, они ограничены узкими инфракрасными спектральными диапазонами.

«Кроме того, что устройство позволяет работать при комнатной температуре, использование метаматериалов позволяет легко масштабировать их в инфракрасном диапазоне длин волн и на видимой или более низкой частоте», - сказал Падилья. «Это потому, что свойства устройства достигаются геометрией, а не химической природой составляющих материалов, которые мы используем».

Новый реконфигурируемый инфракрасный излучатель состоит из подвижного верхнего слоя узорчатого металлического метаматериала и нижнего металлического слоя, который остается неподвижным. Устройство поглощает инфракрасные фотоны и излучает их с высокой эффективностью, когда два слоя касаются друг друга, но излучает меньше энергии ИК излучения, когда эти два слоя находятся врозь. Приложенное напряжение контролирует движение верхнего слоя, и количество испускаемой энергии ИК излучения зависит от точного приложенного напряжения.

Используя инфракрасную камеру, исследователи продемонстрировали, что они могут динамически изменять количество инфракрасных фотонов, выходящих с поверхности метаматериала MEMS, в диапазоне интенсивностей, эквивалентных изменению температуры почти 20 градусов по Цельсию.

Исследователи говорят, что они могут модифицировать метаматериальные структуры, используемые в верхнем слое, для создания различных цветных инфракрасных пикселей, каждый из которых можно было бы настраивать по интенсивности.

Это может позволить создать инфракрасные пиксели, которые похожи на пиксели RGB, используемые в экранах мониторов. В настоящее время они работают над расширением технологии, создав устройство с большим количеством пикселей - до 128 X 128 - и увеличив размер пикселей.

«В принципе подход, подобный нашему, может быть использован для создания многих видов динамических эффектов из реконфигурируемых метаматериалов», - сказал Падилья. «Оно может быть использовано для достижения динамического инфракрасного оптического плаща или отрицательного показателя преломления в инфракрасном диапазоне, например».