А вы знали?
Что если отопительные батареи покрасить в черный цвет, то они лучше будут греть квартиру.
Что если отопительные батареи покрасить в черный цвет, то они лучше будут греть квартиру.
Несмотря на весь потенциал солнечной энергетики, у нее тоже есть свои недостатки. Например, одним из них является высокая стоимость и низкая эффективность продолжительного хранения энергии. Индустрия уже давно занимается поиском решения этого вопроса, и, кажется, на горизонте появилась одна очень интересная идея. Шведские ученые разработали специальную жидкость, называющуюся гелиотермальным топливом. Ее особенность заключается в способности хранить собранную солнечную энергию в течении почти двух десятилетий.
Об этой работе написано уже четыре научные статьи. Последняя из них опубликована в журнале Energy & Environmental Science.
«Гелиотопливо - оно как перезаряжаемая батарея, но вместо электричества эта «батарейка» заряжается солнечным светом, обеспечивая вас при необходимости теплом», - объясняет Джеффри Гроссман, инженер из Массачусетского технологического института, работающий с этим материалом.
В основе гелиотоплива, разработанного учеными из Чалмерского технологического института (Швеция), лежат специальные молекулы из углерода, водорода и азота. При воздействии на эти молекулы солнечным светом наступает реакция: происходит перестроение их атомных связей и на выходе получается изомер. Сильные химические связи между изомерами захватывают солнечную энергию и способны хранить ее даже тогда, когда температура молекул снижается до комнатной (около 21 градуса Цельсия). Когда требуется доступ к сохраняемой энергии, то жидкость пропускается через катализатор, что возвращает молекулам их первоначальную форму. В результате этого процесса на выходе вы получаете энергию в виде тепла.
«Энергия внутри изомера может храниться до 18 лет. При необходимости мы можем получить ее в виде тепла, причем в таких объемах, о которых даже не могли мечтать», - говорит один из создателей гелиотоплива, специалист по наноматериалам Каспер Мот-Поульсен из Чалмерского технологического института.
Прототип энергетической системы, установленной на крышу института, позволил ученым провести испытание жидкости. По словам исследователей, результат этой проверки привлек внимание многочисленных инвесторов.
Устройство для сбора возобновляемой энергии внешне выглядит как вогнутый рефлектор с трубкой в центре, по которой бежит жидкость. Конструкция напоминает радиотарелку, которая следит за движением Солнца. Жидкость прогоняется по прозрачной трубке в центре рефлетора и нагревается солнечным светом, вследствие чего молекулы норборнадиена в составе жидкости превращаются в теплоизолирующий изомер, квадрициклан. Затем жидкость просто помещают на хранение в какую-нибудь цистерну при обычной температуре с минимальной потерей энергии.
Когда возникает необходимость использовать эту энергию, жидкость прогоняется через специальный катализатор, который возвращает молекулам их изначальную форму, что приводит к нагреву жидкости до 63 градусов Цельсия.
Профессор Каспер Мот-Поульсен держит в руке трубку с катализатором перед вакуумной установкой, использующейся для измерения градиента тепловыделения системы хранения солнечной тепловой энергии
Идея заключается в том, что это тепло затем можно использовать, например, в отопительных системах, водонагревателях, посудомоечных машинах, бельевых сушилках и других видах устройств, после чего просто вернуть ее обратно на крышу для "подзарядки".
В ходе испытаний исследователи пропустили жидкость через 125 циклов, сначала нагревая ее, а затем охлаждая до обычной температуры. Никаких существенных повреждений, для содержащихся внутри нее молекул отмечено не было.
«Мы добились значительных успехов за последнее время, получив на выходе энергетическую систему без вредных выбросов, способную работать круглый год», - говорит Мот-Поульсен.
По словам разработчиков, через серию доработок им удалось добиться того, что их жидкость теперь способна сохранять эквивалент 250 Вт·ч/кг, что по эффективности почти в два раза больше, чем возможности батарей Tesla Powerwall.
Останавливаться на достигнутом изобретатели не собираются. По их словам, технологию можно улучшить таким образом, что она сможет производить еще больше тепла – как минимум 110 градусов Цельсия.
«Впереди еще много работы. Мы всего лишь показали, что система действительно работает. Теперь нам необходимо более детально заняться каждым из ее аспектов, включая оптимизацию дизайна», - добавляет Мот-Поульсен.
P.S. Честно скопипастил данную статью где-то. Где именно забыл, т.к. хотел опубликовать его ранее (дней 10 назад), но выяснилось, что был забанен в тот момент за непристойные картинки)
А сейчас вот разбанен, поэтому публикую таки его.
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.
Согласно термодинамике, для производства работы за счёт тепла требуется поток тепла от горячего источника к холодному стоку. В дневное время фотоэлемент солнечной панели работает как тепловой двигатель, используя Солнце в качестве источника тепла и окружающую среду Земли в качестве поглотителя холода, преобразовывая солнечное излучение в электрическую энергию. В дополнение к солнечной радиации существует исходящий радиационный тепловой поток от Земли в космическое пространство. Такой исходящий тепловой поток возможен потому, что атмосфера Земли прозрачна в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. Величина такого исходящего теплового потока очень велика, поскольку он должен в среднем уравновешивать тепловой поток от входящего солнечного потока, чтобы Земля поддерживала свою температуру. Таким образом, имея доступ к ясному небу, любой объект на Земле может излучать тепло в космическое пространство, что обеспечивает механизм радиационного охлаждения. В последнее время такой эффект радиационного охлаждения вызывает значительный интерес, когда основное внимание уделяется охлаждению различных материалов и интеграции в приложения, связанные с энергетикой, такие как охлаждение зданий.
Инфракрасный свет, выделяемый от поверхности солнечных панелей позволяет устройству, разработанному учёными из Стэнфордского университета — термоэлектрическому генератору (TEG), — производить электроэнергию за счёт разницы температур между окружающим воздухом и поверхностью солнечной батареи. Радиационное излучение происходит как в ночное, так и в дневное время.
Запрячь радиационное излучение
Сбор исходящего от поверхности теплового потока представляет интерес для выработки электроэнергии в ночное время. Полярность выходного напряжения обратная по сравнению с обычной дневной работой, но реализация схемы требует, чтобы фотоэлектрический элемент (PV) был сделан из полупроводников с малой шириной запрещённой зоны, которые могут работать в тепловом диапазоне длин волн, что делает схему невозможной для кремниевых элементов, обычно используемых для солнечных элементов. В качестве альтернативы, поскольку типичная оболочка фотоэлемента состоит из диоксида кремния, который сильно излучает в среднем инфракрасном диапазоне длин волн, фотоэлемент должен демонстрировать сильный эффект радиационного охлаждения в ночное время.
Стандартные фотоэлектрические элементы могут обеспечить возобновляемый автономный источник электроэнергии, но они производят энергию только за счёт дневного солнечного излучения и не производят энергию ночью. Хотя было несколько теоретических предложений и экспериментальных демонстраций сбора энергии от радиационного охлаждения фотоэлемента в ночное время, достигнутая плотность мощности очень низкая.
При ясном ночном небе термоэлектрический генератор достигает выработки 50 мВт/м2, с напряжением холостого хода 100 мВ. Разработчики считают, что это не предел. С некоторыми модификациями (и в благоприятной локации) подобное устройство может производить в два раза больше электричества. Теоретический предел составляет примерно 1-2 Ватт на квадратный метр. Это достаточно малое число, но даже подобная электроэнергия ночью может найти применение в разных отраслях.
Тем не менее, остаётся много проблем. Во-первых, мощность, вырабатываемая ночью, составляет всего 50 мВт/м2 по сравнению с ~1000 Вт/м2 для стандартной солнечной панели. Во-вторых, тепло будет охлаждаться относительно быстро, что приведет к уменьшению количества произведённого электричества.
Сегодня, большая часть населения мира — 1 000 000 000 человек — не имеет доступа к электрической сети. Во многих сельских районах, зависящих от мини-сетей или автономных систем, обеспечение электроэнергией в ночное время часто требует установки значительных дополнительных аккумуляторных батарей, что значительно усложняет систему. Разработка средств для извлечения энергии из существующих фотоэлементов в ночное время позволит уменьшить дневное ограничение выработки фотоэлектрической энергии и уменьшить или устранить потребность в аккумуляторных батареях в системах электроснабжения. По сравнению с аккумуляторами, которые значительно портятся после многих сотен и тысяч циклов зарядки, TEG, применяемые в солнечных батареях, являются твердотельными (срок службы которых практически неограничен).
Ещё одно неплохое применение такой технологии — питание огромной сети датчиков мониторинга окружающей среды, которые исследователи используют для отслеживания всего, от погодных условий до инвазивных видов в отдалённых уголках земного шара.
Рабочий прототип: LDPE — low-density polyethylene (полиэтилен низкой плотности)
Изобретение использует источник энергии, который очень легко не заметить. Земля постоянно получает огромное количество энергии от Солнца, порядка 173 000 ТВатт. Облака, частицы в атмосфере и отражающие поверхности, такие как заснеженные горы, отражают 30 % этой энергии обратно в космос почти сразу же. Остальное в конечном итоге нагревает землю, океаны, облака, атмосферу и всё остальное на планете.
Но эта энергия не остаётся на Земле. За исключением дополнительного тепла, которое поглощают парниковые газы, Земля вырабатывает примерно столько же энергии, сколько получает. Поэтому планета выделяет колоссальное количество энергии в виде инфракрасного излучения.
Современные учёные не первые, кто применил радиационное охлаждение. На юго-востоке Ирана есть остатки десятков Якчалов, так называемых «ледяных домов», которые древние персы использовали в качестве холодильников 2400 лет назад. Люди заливали воду в неглубокие бассейны рядом с ледяными домами. Даже если температура воздуха была выше нуля, вода замерзала. Утром люди собирали лёд и переносили его в ближайшую структуру, похожую на улей, которая использовала другие методы пассивного охлаждения, чтобы держать лёд ниже точки замерзания в течение всего лета.
Перспективы
Солнечная батарея на самом деле не очень хороший проводник тепла. Инженеры поняли, что энергия, выходящая за края солнечной панели, не вносит большого вклада в выходную мощность системы, потому что тепловая энергия не может легко проходить через сам солнечный элемент. Разработчики решили эту проблему, прикрепив солнечный элемент непосредственно к алюминиевой пластине, которая проводит энергию намного эффективнее.
Первоначально, созданное экспериментальное устройство могло питать светодиодную лампочку. Все детали, использованные для экспериментального устройства, были куплены в магазинах бытовой техники и электроники общей стоимостью менее 30 долларов.
Установка включала алюминиевый диск, окрашенный в чёрный цвет с одной стороны, обращённый к небу. Диск использовался для излучения тепла из окружающего воздуха. В его состав также входил термоэлектрический генератор — устройство, вырабатывающее электрическое напряжение в ответ на перепад температур.
Экспериментальное устройство
Устройство вырабатывало примерно 25 милливатт на квадратный метр. Хотя это намного меньше, чем солнечный элемент аналогичного размера, устройство можно легко использовать для выработки электроэнергии в местах, которые не подключены к электрической сети.
Теперь группа ученых утверждает, что использовала этот эффект для создания элемента «антисолнечной энергии», который может генерировать в 120 раз больше энергии, чем любое подобное устройство. Конкретная конструкция может быть сравнима с производительностью тепловой машины Карно — теоретический термодинамический предел для «идеального» двигателя. Этот результат значительно выше и указывает на потенциальную применимость сбора электроэнергии в ночное время.
Конечно, текущая модель еще не близка к коммерческому применению. Тем не менее, учитывая преимущества, которые она может принести в области возобновляемых источников энергии, эту технологию определенно стоит изучить. Ведь чистая энергия от ВИЭ обеспечила рекордные 38 процентов мирового спроса на электроэнергию в 2021 году. В настоящее время 50 стран производят более 10% электроэнергии из ветряных и солнечных источников.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Как известно, легендарный автомобиль Ford Model T работал на биотопливе, созданном на основе конопли, а также включал биополимерные материалы, разработанные с применением этого растения. Сегодня на смену машинам с ДВС приходят современные электрокары с батареями. А недавно было выяснено, что элементы питания, созданные из конопли, демонстрируют в целых 8 раз больше эффективности, чем литий–ионные.
Исследователь Роберт Мюррей Смит разместил на своем YouTube–канале эксперимент, в ходе наглядно показал высокую производительность конопляной батареи.
Еще в 2014 году американские ученые обнаружили, что отработанные волокна конопляных культур могут быть превращены в «сверхбыстрые» суперконденсаторы, которые «лучше, чем графен». Напомним, что графен — это синтетический углеродный материал, более легкий, чем фольга, но при этом пуленепробиваемый. При этом его производство чрезвычайно дорого. Конопляный аналог не просто лучше по производительности, но и в тысячу раз дешевле.
С помощью гидротермального синтеза ученые преобразовали остатки лубяного волокна конопли в углеродные наноленты.
«Люди интересуются: почему конопля? Я отвечаю: почему бы и нет? — говорит доктор Дэвид Митлин из Университета Кларксон (Нью–Йорк) в интервью «Би–Би–Си». — Мы создаем графеноподобные материалы за одну тысячную цены — и при этом из отходов!».
Команда доктора Митлина переработала волокна в суперконденсаторы, идеально подходящие для машин, требующих резких скачков мощности.
В конце 2018 года компания по производству электрических мотоциклов Alternet (Техас) объявила, что сотрудничает с Mitlin для оснащения продукции своей дочерней компании ReVolt Electric Motorbikes.
Давно было известно, что биотопливо из конопли является отличной альтернативой традиционному. Теперь выяснилось, что растение также полезно и для производства батарей и избавляет от необходимости добывать литий, нанося вред экологии.
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
Исследователи из МГУ и Сколтеха сделали из ядовитого сорняка материал для анодов натрий-ионных батарей. Их работа была опубликована в журнале Batteries.
По мере совершенствования этот вид аккумуляторов может заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии на солнечных и ветрогенераторах.
Коллектив протестировал три подхода к синтезу твердого углерода:
- Сначала борщевиковую биомассу подвергли нагреву до 1300 градусов Цельсия в бескислородной атмосфере.
- Потом синтез повторили, но с предварительной промывкой сырья кислотами для удаления металлических и иных примесей.
- Наконец, борщевик сварили в закрытом реакторе с водой, что позволило получить углеродосодержащие сферы очень малого размера.
Удельная емкость материала во всех трех случаях получалась сходной, а наивысшая кулоновская эффективность достигается во втором случае.
Ученые рассмотрели отдельно зимний борщевик, который проще собрать, и летний борщевик, который цветет и пахнет. Именно из летних образцов получился материал с более высокой кулоновской эффективностью.
Две ключевые характеристики для сравнения анодных материалов - кулоновская эффективность и удельная емкость. Чем выше первый показатель, тем меньше энергии при эксплуатации катода будет тратиться впустую на побочные процессы, которые к тому же изнашивают батарею.
Изготовленный учеными из МГУ и Сколтеха твердый углерод из борщевика продемонстрировал кулоновскую эффективность 87%, что ставит его в один ряд с лучшими материалами этого класса. По удельной емкости он уступает материалам-лидерам - 260 против 300 мАч/г - но в целом конкурентоспособен.