Investigadores dirigidos por Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Columbia Engineering, junto con colegas del Departamento de Química de la Universidad de Columbia y de la Universidad de Stanford, han desarrollado un nuevo "secado y secado" de bajo costo y escalable"método para fabricar un absorbente solar selectivo SSA altamente eficiente que puede aprovechar y convertir la luz solar en calor para su uso en una amplia gama de aplicaciones relacionadas con la energía, desde calentar agua y generar vapor hasta calefacción residencial".
El método del equipo se describe en un nuevo artículo, "Fabricación escalable, 'sumergir y secar' de un absorbente selectivo plasmónico gran angular para la conversión de energía solar-térmica de alta eficiencia", publicado en Materiales avanzados el 28 de agosto
Los autores determinaron que las láminas recubiertas con nanopartículas plasmónicas creadas por su método funcionan tan bien o mejor que los SSA existentes y mantienen una alta eficiencia durante todo el día, independientemente del ángulo del sol, debido al diseño de gran angular.Proponer que el proceso simple, económico y respetuoso con el medio ambiente ofrece una alternativa atractiva a los métodos actuales de fabricación de SSA.
"Vimos una necesidad insatisfecha de un método fácil, económico y sostenible para fabricar SSA de alto rendimiento", dijo Yuan Yang. "Nos complació que nuestro proceso relativamente simple produjera SSA que funcionó a la par con los SSA comerciales y los diseños reportadosen otra investigación. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se hace un SSA plasmónico utilizando dicho proceso, y la escalabilidad y el costo de este enfoque nos acerca a hacer de la energía solar una realidad práctica para más personas ".
La recolección de la luz solar para energía renovable sigue siendo un objetivo principal para los científicos. Los convertidores termosolares, que pueden absorber la luz en todo el espectro solar y convertirla en calor con eficiencias notablemente altas, ofrecen una vía muy prometedora para la recolección de energía solar. Sin embargo, lograr una conversión termosolar de alta eficiencia a bajo costo sigue siendo un desafío.
Como componente de la superficie de los convertidores termosolares, los SSA son ideales porque tienen propiedades ópticas contrastantes para la radiación solar y térmica. Son muy negros en todos los colores de la luz solar desde UV, visible, hasta luz infrarroja cercana y puedenpor lo tanto, absorben casi toda la luz y se calientan mucho. Sin embargo, a diferencia de las superficies negras comunes, son metálicas, es decir, no emisivas, cuando se trata de radiación térmica luz de infrarrojo medio a lejano. Por lo tanto, el calor no se pierde como radiacióny se puede usar, por ejemplo, para calentar agua o generar vapor.
La mayoría de los SSA se realizan utilizando procesos de fabricación más sofisticados, costosos de energía o peligrosos, como la deposición al vacío o la galvanoplastia. Esto aumenta la huella ambiental y el costo al tiempo que limita su accesibilidad. Como base para la fabricación de SSA,El proceso en seco es una opción atractiva, ya que produce SSA que son altamente eficientes, al tiempo que pasa por alto los costos y los peligros ambientales asociados con otros enfoques.
Al trabajar con instrumentos e instalaciones en el espacio del laboratorio de Ingeniería de Columbia y la Iniciativa Nano de Columbia CNI, los investigadores pudieron fabricar SSA plasmónicos basados en metal utilizando un proceso económico que puede sintonizar los SSA para adaptarse a diferentes condiciones de operación, y es compatiblecon métodos de fabricación industrial.
Al sumergir las tiras recubiertas con un metal reactivo zinc en una solución que contiene iones de un metal menos reactivo cobre, las nanopartículas de cobre que absorben la energía solar pueden formarse fácilmente en las tiras de zinc mediante una reacción de desplazamiento galvánico.
"La belleza del proceso es que se puede hacer de manera muy simple", dijo Jyotirmoy Mandal, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el grupo de Yuan Yang. "Solo necesitábamos tiras de metales, tijeras, para cortar eltiras a medida, una solución salina en un vaso de precipitados y un cronómetro para cronometrar el proceso de inmersión "
Con su gran angular, el SSA abordó otro problema de larga data que enfrentan las superficies que absorben el sol: la capacidad de absorber la luz solar durante todo el día desde el amanecer hasta el atardecer. En las pruebas, los SSA resultantes mostraron una absorción solar significativamente mayor en todos los ángulos~ 97% de absorción cuando el sol está arriba, ~ 80% cuando está cerca del horizonte que los diseños existentes.
Ronggui Yang, profesor y miembro de la facultad SP Chip y Lori Johnson en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Colorado en Boulder, que no participó en el estudio, señaló que existen desafíos importantes para obtener una gran absorción solar de gran angularmateriales con baja emisión térmica.
"Varios investigadores buscan mucho un enfoque escalable y de bajo costo", dijo. "Estoy emocionado de que el equipo de investigación de Yang haya demostrado un proceso escalable y respetuoso con el medio ambiente basado en la técnica de 'sumergir y secar'.Su absorbente solar plasmónico duradero y de alto rendimiento encontrará aplicaciones inmediatas en sistemas termosolares ".
El equipo planea probar otras combinaciones de metales además del zinc-cobre y zinc-plata y explorar formas de aumentar aún más la eficiencia. Están especialmente entusiasmados con el potencial del proceso simple y asequible que se utilizará para la conversión solar en los países en desarrollo.
"Es crucial para los científicos encontrar formas prácticas de abordar los problemas relacionados con la energía y el medio ambiente en las comunidades donde son más agudos, como en el sur de Asia", dijo Mandal.
"Esta es una instancia prometedora de cómo se pueden desarrollar superficies ópticas novedosas para aplicaciones relacionadas con la energía de manera relativamente simple, económica y sostenible", dijo Yang. "Los absorbedores solares fáciles de fabricar podrían desempeñar un papel importante para lograr unenergía renovable en el futuro "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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