Aquí presentamos el funcionamiento de los Paneles antisolares, porque no toda la energía la puede producir el sol.
Resumen
Presentamos una optimización sistemática del sistema de generación de energía termoeléctrica nocturna utilizando refrigeración radiante. Mostramos que una densidad de potencia eléctrica 2 W/m 22, dos órdenes de magnitud superior al resultado experimental reportado anteriormente, es alcanzable utilizando las tecnologías existentes. Este sistema combina la refrigeración radiatíva y la generación de energía termoeléctrica y funciona por la noche cuando no se dispone de cosecha de energía solar. El propio generador de energía termoeléctrica (TEG) cubre menos del 1 por ciento de la zona de la huella del sistema al lograr esta generación óptima de energía, mostrando factibilidad económica. Estudiamos la influencia de los espectros de emisores de emisividad, convección térmica, figura termoeléctrica del mérito y la relación de área entre el TEG y el enfriador radiatívo en el rendimiento de generación de energía. Optimizamos el emisor de radiación térmica unido al lado frío y proponemos la implementación práctica del material. La importancia del emisor óptimo se dilucida por la ganabilidad de 153% en densidad de potencia en comparación con los emisores regulares de cuerpo negro.
Sociedad óptica de América 2020 bajo los términos del Acuerdo de Publicación de Acceso Abierto de la OSA
1. Introducción
El rápido crecimiento de la población mundial y el desarrollo industrial plantea una amenaza importante para el suministro energético mundial, causando una degradación cada vez mayor del medio ambiente y el malestar social. Para hacer frente al desafío, las técnicas de captación de energía solar, como la fotovoltaica, la fotovoltaica térmica y las técnicas solares térmicas, son alternativas sostenibles. Aun así, la demanda de energía eléctrica para la iluminación alcanza su punto máximo durante la noche. Además, debido a la desigual distribución de la luz solar, el acceso a la energía solar puede ser bastante limitado durante meses en muchos lugares de la Tierra. Un enfoque factible para mitigar esta discrepancia es desarrollar un sistema pasivo que pueda generar trabajo durante la noche. Un generador de energía fuera de la red tiene que ser de bajo costo, descartando muchos enfoques tradicionales. Además de la iluminación, una fuente de energía modular puede beneficiar a una gran variedad de sensores fuera de la red (agricultura, medio ambiente, seguridad), comunicaciones digitales y muchas otras aplicaciones.
Realización de la generación pasiva de energía nocturna a un nivel de 1 W/m2 enfrenta a algunos desafíos. Primero, la explotación eficiente de la energía ambiental al aporte del generador; en segundo lugar, la utilización eficiente de la energía cosechada para generar energía; tercero, vertido eficiente de calor excesivo de la producción del generador. La fuente de energía disponible por la noche es el contenido de calor de la atmósfera que se puede recoger mediante convección de aire libre en el generador. Con diferencia de temperatura típica entre el lado ambiente y el calor de pocos grados K y el coeficiente de convección de aire libre de 8 a 10 W/m2, la densidad de potencia de entrada proporcionada al generador se limita al orden de 10 W/m2 menos que, con la eficiencia típica de conversión de potencia de TEG, no puede proporcionar el 1 W/m deseados de potencia, requiriendo así una mejora significativa. El dumping de calor es otro desafío. Afortunadamente tenemos un lavabo frío de baja temperatura, el espacio exterior, que se mantiene a unos 3 K y está disponible y está distribuido uniformemente. Obras anteriores que utilizan el espacio exterior frío han permitido la refrigeración radiante pasiva de la superficie muy por debajo de la temperatura del aire ambiente. Con este gradiente de temperatura, es posible establecer un motor térmico para extraer trabajo entre el medio ambiente y el espacio ultraterrestre. Un experimento de prueba de concepto desarrolló un dispositivo que combina el lado frío de un TEG a una superficie de cuerpo negro que irradia calor al frío del espacio y tiene su lado caliente calefactado por el aire circundante, permitiendo la generación de energía eléctrica de 25 mW/m2 de noche. Aunque esta demostración de generación de energía eléctrica nocturna es notable, no es suficiente para satisfacer la demanda de energía de muchas aplicaciones mencionadas anteriormente. El rendimiento de la generación de energía en puede mejorarse abordando los dos retos siguientes: en primer lugar, el encarnador negro del enfriador radiatívo en no proporciona el rendimiento óptimo de enfriamiento, ya que absorbe la energía térmica a frecuencias/anglos donde predomina la emisión atmosférica; en segundo lugar, su estructura térmica es adversa a la formación de corriente termoeléctrica debido a la presencia de pérdida excesiva de calor parasitaria. Por otro lado, los trabajos previos en el enfriamiento radiatívo de alto rendimiento durante el día han explorado la optimización de los emisores selectivos de espectro-angulares y la condición de transferencia de calor. Sin embargo, hasta donde sabemos, la ingeniería no se ha investigado las dos condiciones para optimizar el rendimiento nocturno de la generación de energía eléctrica.
En este trabajo, mostramos que, con una optimización sistemática, la generación de energía termoeléctrica nocturna de 2.2 W/m2 alcanzable utilizando las tecnologías actuales. Esta densidad de energía presenta una mejora de 88 veces en comparación con la densidad de energía demostrada en el rendimiento óptimo está permitido por la optimización integral de los refrigeradores radiatívos (emisividad selectiva especulativa y la relación de área sobre el TEG), convección ambiental (coeficiente de convección lateral en caliente y frío) y figura termoeléctrica del factor ZT de mérito. A lo largo del papel, arreglamos el área eficaz de un solo termopar TC y cambiar el área de TEG por variar el número de termopares. Demostramos que el enfriador radiatívo optimizado con selectividad especcopal puede producir generación de energía de alto rendimiento en diversas condiciones ambientales y termoeléctricas. Mostramos que, al emplear un motor Carnot en las mismas condiciones, el límite superior de la densidad de potencia nocturna generado a temperatura ambiente 300 K es de aproximadamente 6,4 W/m2. Esto indica que nuestro diseño óptimo de TEG está cerca del límite termodinámico (el límite de la generación de energía eléctrica utilizable de TEG es la mitad del del motor Carnot). El documento se organiza de la siguiente manera, presentamos la teoría y los principios de diseño de un generador de energía termoeléctrica en la noche junto con un refrigerador radiatívo óptimo. Le damos un diseño de hormigón con parámetros experimentales típicos y verificamos que el emisor óptimo supera al encarnador de cuerpo negro convencional, como lo refiere la sección 3 de este artículo. En la Sección 4, presentamos un posible diseño de sistema de generación de energía termoeléctrica que genera 2.2 W/m2 con un cerramiento de vacío alrededor del emisor frío, utilizando un TEG disponible comercialmente. En la Sección 5, analizamos la influencia de la condición ambiental, la figura termoeléctrica del mérito y la relación área radiante en el rendimiento de generación de energía. Discutimos el límite final de generación de energía cuando un motor Carnot opera entre el ambiente y el enfriador radiatívo para extraer trabajo en Sección 6 y concluyen en la Sección 7.
2. Análisis de la generación de energía termoeléctrica nocturna
Comenzamos analizando el modelo termodinámico del generador de energía termoeléctrica nocturna que se muestra esquemáticamente en Fig.1. Integramos el lado frío de TEG a temperatura con un enfriador radiatívo, cuyas propiedades radiantes se describen por la emisividad épsilon (-lambda + theta) en longitud de onda -lambda y ángulo de incidente desde la dirección normal -theta . El lado frío está expuesto al cielo despejado de la noche y sujeto a la irradiación atmosférica que depende de la temperatura ambiente. Las temperaturas de los lados fríos y calientes del TEG, se puede obtener resolviendo el equilibrio de poder de estado estacionario de las dos caras:
Dónde omega + theta interior es la energía irradiada por el enfriador radiatívo omega + coseno de theta interior es la potencia absorbida en el lado frío que se deriva de la radiación de la atmósfera. Aquí es la superficie de la estructura del lado frío interior omega = 2opi si es la integral angular sobre un hemisferio lambda = frac. 2hc * 2 lambda – .5 frac que viene siendo el resplandor espectral de un cuerpo negro a baja temperatura, dónde K es la constante de Boltzmann, C es la velocidad de la luz y H la constante de Planck. La emisividad espectral dependiente del ángulo de la atmósfera es dada por épsilon (-lambda + theta) dónde lambda es la transmisión atmosférica en la dirección del cenit que representa la transferencia de calor parasitaria interna del lado frío caliente a la fría debido a la conducción con TE siendo la resistencia térmica de la estructura TEG = A-T =A-H *T en donde la transferencia de calor del ambiente al lado frío y caliente, respectivamente debido a la convección de aire, donde A es la superficie del lado caliente de la estructura, y H y C son los coeficientes de transferencia de calor convectivas de aire debido al contacto del aire adyacente al lado caliente de TEG y el enfriador radiatívo, respectivamente.
Fig. 1. Configuración esquemática del TEG utilizando refrigeración radiante.
Además, hay energía térmica relacionada con el efecto de calentamiento Joule y Seebeck en Ecs. 1 Joule = frac N2.I-2-R como el calor proporcionado al lado frío y caliente debido al calentamiento de Joule de la resistencia interna. Aquí siguiendo el tratamiento estándar para la simplicidad asumimos que tal calor se proporciona igualmente a los lados fríos y calientes. La corriente es I = NS (T – T*C. dónde N es el número de termopares en el TEG y NP es el coeficiente Seebeck de una sola unión R y R son las resistencias eléctricas internas externas y de un solo termopar, respectivamente. P – Seebeck = NS – T + I y P * Seebeck = NS T-I como la salida térmica y la entrada del lado frío y caliente debido al efecto Seebeck, respectivamente. Se supone que el lado caliente tiene una emisividad muy baja, por lo que el poder radiado del lado caliente es insignificante. Esta suposición se aplica ampliamente en dispositivos de refrigeración radiatívo y es aplicable aquí también. En nuestra realización, el lado caliente está inmerso en el aire y separado de otros depósitos térmicos como el suelo o el techo, por lo que la convección de calor del aire es la única fuente de energía del sistema. Descuidamos otras ganancias o pérdidas de calor parasitarias, como la conducción del apoyo, debido a su pequeña cantidad en comparación con los flujos de calor dominantes. Dadas estas suposiciones, Eq. Da frac. (T- H – T) R.TE.DR.TE.FZ (T – T*C) – 2R.TE.T -frac.Z.Z.T.H.- T) = 0 dónde Z = «frac» .NS -2.R.TE.R. Combinado con Ec., ambas TC y TH pueden resolverlo.
Para maximizar la generación de energía eléctrica para una diferencia de temperatura dada T – TC, aplicamos la condición de la carga donde R = NR. La densidad de potencia máxima P máx. se obtiene directamente de Eqs 1 y 2 como la diferencia entre la potencia externa de la red entregada al lado caliente y dejando el lado frío:
En el experimento de prueba de concepto con la encarnación de cuerpo negro reportó en los parámetros del sistema de generación de energía fueron: T ambiente + 281K, y H = 10 W/m2, similar a 7 W/m2 en un cálculo de N = 127 a 210.769 V/K = 0,007 omega. El área única de termopar es A y TC = A.* TE./N, donde el área TEG A-TE es 30 veces 30 mm2 de Marlow TG12-4-01LS utilizado en 9. La diferencia de temperatura obtenida en este experimento fue igual a 1.98 K y la densidad de energía eléctrica generada fue igual a 0.025 W/m2. Nuestro modelo reprodujo fielmente el resultado experimental, como se muestra en las Figuras 2d y e. Como demostraremos a continuación, este rendimiento de generación de energía se puede mejorar significativamente mediante la ingeniería óptima del espectro de emisividad de enfriadora radiante, la relación de área entre el TEG y el enfriador radiatívo, la figura termoeléctrica del mérito y las condiciones de convección ambiental.
Fig. 2. Generador de energía nocturna con emisor térmico selectivo para una mejor generación de energía termoeléctrica. (a) La emisividad ideal (Eq. 5) para una generación óptima de energía termoeléctrica a una temperatura ambiente de 300 K, refrescando el emisor a 292,3 K. (b) La emisividad de la multicapa optimizada a temperatura ambiente de 300 K, enfriando el emisor a 293.1 K. (c) La composición del material y los espesores para la estructura multicapa con selectividad espectro angular representado en (b). (d) Potencia de salida máxima de los tres emisores anteriores a diferentes temperaturas ambiente. (e) Diferencia de temperatura entre el enfriador radiatívo y el ambiente para los tres emisores. Se supone que los demás parámetros del sistema TEG son los mismos que 9.
3. Optimización de la emisividad radiadora enfriadora
Para maximizar la generación de densidad de energía máxima del TEG, la temperatura de su lado frío debe disminuir en la medida de lo posible, como se evidencia en Eq. 3, lo que hace que el enfriador radiatívo óptimo sea un elemento crítico en el sistema. El equilibrio de densidad de potencia del refrigerador se puede escribir como: lambda y theta – épsilon (lambda – theta ) es la densidad de potencia radiante de la red desde el lado frío y delta p par = H-C (T. amb. – T -C) 1-A es la densidad de transferencia de calor parasitaria en el lado frío. El T-C como solución está determinada de manera única por la intersección de las dos funciones monótonas delta p. con r. (T. c.) y delta p. par. (T-C) . Esta derivación pone de relieve dos factores importantes que influyen en el rendimiento de la generación de energía: el control de la emisividad lateral fría épsilon (-lambda * theta), así como varios parámetros relacionados con la configuración TEG que representa el coeficiente de transferencia de calor eficaz de toda la transferencia de calor parasitaria y controla la temperatura del lado frío.
En esta sección, nos centramos en el diseño de la emisividad. Por un hecho T.C., el espectro óptimo de la emisividad épsilon (-lambda , «theta ) debe maximizar la potencia de enfriamiento filtrando la contribución negativa de la integral en Delta p. con r. Esto se logra mediante la asignación de .épsilon (-lambda , .theta ) = 1 cuando la cantidad de energía irradiada fuera del refrigerador es más grande que la potencia que absorbe de la radiación de la atmósfera y de otra manera .épsilon (-lambda , .theta ) = 0. La emisividad óptima debe ajustarse a:
Dónde Theta es la función de paso de unidad y se resuelve de forma auto consistente de las Ecáms. 1, 2 y 5. La selectividad espectral del refrigerador óptimo da una fuerte emisión a frecuencias donde la absorción atmosférica (en el rango de 8 – 13) y la reflexión de la capa de ozono en 9.5 son relativamente más pequeños. La selectividad angular del emisor también previene las emisiones en los grandes rangos angulares de incidentes donde el cielo es en su mayoría opacado y la radiación del cielo descendente es intensiva. El espectro óptimo de la emisividad épsilon (-lambda * theta) se muestra en la Fig. 2a a la temperatura ambiente nocturna 300 K y otras condiciones iguales. Esta emisividad óptima se enfría por el lado frío a T- C = 292.3 K, determinado por Eqs. 1, 2 y 5 y da lugar a una generación de potencia de 0.054 W/m2, más alto en comparación con 0,041 W/m2 para un encarnarlo negro en las mismas condiciones.
Para implementar una estructura optimizada aproximada de enfriador radiatívo para la generación de energía eléctrica, consideramos el uso de un emisor de varias capas. En los últimos años se han aplicado estructuras multicapas similares en diseños de refrigeración radiatívo y gestión térmica. Para encontrar la estructura multicapa para la generación de energía eléctrica de alto rendimiento, realizamos una optimización de banda ancha con la densidad de potencia radiante delta como función de mérito con T-C = 292.3 K que es la temperatura del mencionado emisor óptimo. Para lograr la máxima generación de energía con una estructura de cinco capas, empleamos un conjunto diverso de materiales para que la estructura multicapa pueda tener una emisividad que aproximadamente coincide con el espectro óptimo de la emisividad en Fig. 2a), teniendo en cuenta la viabilidad de la fabricación. El superestrato se elige como aire, y la estructura se coloca encima de 300 nm de Al unido al lado frío del TEG. Seleccionamos de los siguientes diez materiales dieléctricos comunes: Al2 O 3, HfO2, MgF2, SiC, SiN, SiO2, TiO2, Ta2 O 5, Si, Si 3 N4. El espeso Al es opaque a la radiación térmica, por lo que el espectro de la emisividad es épsilon (-lambda , «theta ) = 1- R(lambda, theta ), dónde R (lambda , theta ) = fracción que viene siendo la reflectividad media de la s-y*p-luz polarizada, que se calculó aplicando el método de impedancia de la superficie analítica en una estructura multicapa como se describe. Usando la emisividad, calculamos la densidad de potencia de enfriamiento radiatívo neto delta para evaluar la generación de energía eléctrica para el dispositivo multicapa. En Fig. 2b, trazamos el espectro de emisividad de la estructura de varias capas calculada, que demuestra la selectividad en longitud de onda y ángulo de incidente que es favorable para la generación de energía termoeléctrica. El espectro de emisividad del emisor diseñado se aproxima al del espectro teóricamente óptimo especificado en la Fig. 2a La composición del material y los componentes de espesor del emisor optimizado se muestran en Fig. 2c. Evaluar el rendimiento de generación de energía de este dispositivo, en Fig. 2d, comparamos la densidad de energía eléctrica del emisor óptimo descrito por Eq. 5, el emisor optimizado de varias capas mostrado en Fig. 2c , y el dispositivo de cuerpo negro de Ref. 9, en las mismas condiciones ambientales y TEG para una serie de temperaturas ambientales. Esto demuestra las posibles variaciones de rendimiento en diferentes lugares de la Tierra. Encontramos que, a todas las temperaturas, nuestra estructura optimizada de múltiples capas genera mayor potencia eléctrica que el encarnador de cuerpo negro. Sin embargo, la estructura optimizada de varias capas se supera por el emisor óptimo que se muestra en Eq. 5 que deja espacio para diseños de emisor aún mejores. A continuación, exploramos el principio de trabajo del emisor óptimo, presentándonos en Fig. 2e la reducción de la temperatura del refrigerador del ambiente. Esto verifica que, a todas las temperaturas ambiente, el emisor óptimo baja la temperatura más fresca que el encarnador multicapa y negro. En el futuro, imaginamos que explorando el método de optimización adjunto con diversas combinaciones geométricas y materiales, uno puede potencialmente lograr un diseño de emisividad más cerca del objetivo ideal de Eq. 5, y en consecuencia mejorar el rendimiento de generación de energía.
4. Diseño óptimo de alta rendimiento de generación de energía termoeléctrica nocturna de alto rendimiento
Presentamos en la Fig. 3 un diseño de generador termoeléctrico nocturno factible que genere de forma óptima 2.2 W/m2 densidad de potencia. Nuestra optimización está habilitada por un TEG de última generación (ZT = 6) que es adecuado para el rango de temperatura de la implementación nocturna y lo comparamos con ZT más futurista = 60 TEG y ZT (CE) e implantados experimentalmente = 0,71 TEG. Aquí, ZT=N.2-R * TE-T – amb/R es la figura termoeléctrica del mérito a temperatura ambiente de 300 K. El sistema está rodeado por condiciones de convección térmica diseñadas: el entorno del lado del frío de vacío puede lograr una calefacción parasitaria insignificante por convección de aire con H*C =10 – 3 W/(m2 K), y el lavabo de calor unido al lado caliente del TEG puede aumentar el área efectiva para la convección por un factor de 10 para la convección de aire aún, para producir eficazmente H.=10 y dos W/(m2 K). Además, se utilizan escudos de radiación y clavos de aislamiento para reducir la pérdida de radiación y conducción a través de la parte posterior del emisor.
Fig. 3. El sistema propuesto para la generación de energía óptima en la noche. (a) Esquemática de la configuración. (b) La densidad de potencia de salida P-max-max en función de la relación de área termoeléctrica a radiactiva para varios valores de la cifra termoeléctrica de mestizo, así como el límite determinado por la mitad del motor Carnot extraída de densidad de potencia, con H-C = 10º – 3º W/W/(M 2-K) y H-M*H = 10/W/m /K) a la temperatura ambiente de 300 K.
Para optimizar el número de termopares en un entorno de aplicación en la azotea, donde se supone que el área de la huella del sistema se supone que A. c.=A- h. = 1 m m2, estudiamos la densidad de la energía termoeléctrica en función de la relación de área de la TEG con el enfriador radiatívo A. TE./A- c.c. en Fig. 3b La densidad de potencia se calcula como la potencia generada dividida por esta zona de huella, y los coeficientes de convección de los lados fríos y calientes se eligen para ser el mismo que en la Fig. 3a Cada uno de los emisores están diseñados para ser óptimos de acuerdo con Eq. 5. Para los tres emisores, la densidad de potencia de salida de picos en un respecto A. TE./A- c.c. relación de área. Para el estuche ZT experimental = 0.71 la densidad óptima de potencia de salida p. máxima es 0.67 W/m2 cuando el TEG consta de 339 termopares y relación de área correspondiente A. TE./A- c.c. es 0.0024. Para el ZT disponible = 6, la densidad óptima de potencia de salida p. max.max.es de 2.2 W/m2 obtenido con 1001 termopares y relación de superficie correspondiente A. TE./A- c.c. es de 0.007. Para la funda futurista ZT = 60, la densidad óptima de potencia de salida p. max.max.es 2.92 W/m2 con 1351 termopares y relación de superficie correspondiente A. TE./A- c.c. de 0.0096. Para los tres casos se logra la densidad máxima de potencia con el área de TEG menos del 1 por ciento del área de enfriadora radiante. Esta es una observación importante, ya que el TEG es la parte más cara del sistema. El límite superior de la generación de densidad de energía termoeléctrica en la resistencia de carga es la mitad de la obtenida por un motor ideal de Carnot (ver sección 6). Nuestros resultados para un diseño técnicamente alcanzable no están lejos de este límite de Carnot de 3.2 W/m2, denotado por una línea desgarrada en Fig. 3b) También tomamos nota de que la producción de 2.2 W/m2 por la noche, de una fuente ambiental supera a la extracción de energía térmica del cuerpo humano, así como a la energía de la radiofrecuencia, y es comparable con otras técnicas de captación de energía ambiental a pequeña escala, como la eólica. La configuración actual en Fig. 3 puede operar también de día en la dirección inversa, donde el Sol está calentando el emisor con fuerte emisividad visible. Estamos examinando los diseños óptimos para el funcionamiento tanto en el día como en la noche en una próxima publicación por el Departamento de Ingeniería Eléctita dentro del Laboratorio Ginzton de la Universidad de Stanford.
5. Influencia de parámetros en el rendimiento del sistema
Además del papel crítico del emisor óptimo, como se muestra en la Fig. 4, realizamos un estudio detallado de los parámetros del sistema incluyendo coeficientes de convección, figura termoeléctrica de mérito y TEG/exclusión de área de enfriadora radiante. Consideramos el TEG con ZT = 6 de la Fig. 3b a temperatura ambiente T- ambámb = 300 K integrado con enfriador radiatívo con el emisor optimizado como referencia, y escaneamos los valores de cada parámetro único – dejando los otros parámetros sin cambios. Una línea rota roja marca el valor de cada parámetro específico utilizado en el experimento de H * H =10 W/m2 /K, H-C= 7 W/m2/K, ZT = 0.71, y A * TE./A-C = 0.0286 . Como se puede ver en Fig. 4a, la densidad de potencia P máxima aumenta rápidamente en función del coeficiente de convección eficaz del lado caliente, H+ A-H = 10W/m2 K, la densidad de potencia es de 1.909 W/m2, que es un resultado bastante bueno para el aire todavía sin ayudar a la estructura. Puede mejorarse asintóticamente a 2.2 W/m2 con un factor de mejora de 0.15 para H cerca de 100 W/m2 K por un diseque de calor o viento fuerte. Por el contrario, como se puede ver en Fig. 4b, la densidad de potencia P máxima disminuye drásticamente en función del coeficiente de convección del lado frío, h.c. A h. c. = 7 W/m2 K, la densidad de potencia generada es de sólo 0.1338 W/m2, y asintóticamente se aproxima 2.2 W/m2 para h.c. cerca de 0.001 W/m2 K. El enorme factor de mejora de 10.35 es una manifestación de la necesidad de un recinto de vacío o ubicaciones especiales como desiertos para lograr la densidad de potencia deseada.
Fig. 4. La densidad de potencia de salida P máxima en función de los parámetros del sistema: coeficientes de convección (paneles a y b), figura termoeléctrica del mérito (panel c) y TEG/exfa de enfriador radiatívo (panel d) a la temperatura ambiente de 300 K. En cada panel, estudiamos el impacto de un parámetro respectivo a un valor fijo de los demás parámetros que se optimizan en ZT = 6 (sección 44). La línea roja en cada panel indica el valor del parámetro respectivo en el experimento de Generación de la luz sobre la oscuridad: h. h.=10 W/m -2- /K, h. c. = 7 W/m – 2/K, ZT = 0.71 , y A-TE-/A-C = 0.0286 . El punto negro de cada panel denota el parámetro utilizado para el rendimiento óptimo de generación de energía.
Como ya se ha dicho en la sección 4, la figura termoeléctrica del mérito ZT tiene una influencia significativa en la generación de energía eléctrica. El ZT más alto equivale a una resistencia eléctrica reducida y/o mayor resistencia térmica del TEG, el primero mejora la corriente de salida y esta última reduce el calentamiento parasitario del lado frío. Como se demostró en Fig. 4c, la densidad de potencia máxima. aumenta rápidamente en función del valor ZT, con un factor de mejora de 4.542 a medida que ZT aumenta de 0,71 a 100. densidades de energía en el rango de Watts/m2 se puede obtener con el TEG existente como se ha examinado en la sección anterior, mientras que los nuevos materiales de ZT aún más alto que opera a un rango de temperatura cercana a la temperatura ambiente – que coincide con nuestra aplicación, están siendo en desarrollo.
En Fig. 4d, la densidad de potencia máxima en función de la relación de área de la TEG con el enfriador radiatívo A*TE./A-C para tres tipos de emisores se presenta. Para los tres, la densidad de potencia de salida máxima. sigue una tendencia similar a la de la Fig. 3b En la relación de superficie 0,0286 empleados en la creación experimental de Generando la luz de la oscuridad, predecimos la densidad óptima de la potencia del emisor de 1,5529 W/m2, mientras que el emisor multicapa logra 1.1169 W/m2 y la encarnación del cuerpo negro 0.8676 W/m2. Para el emisor multicapa, la densidad de potencia de salida máxima p. max.max.es 1.2144 W/m2 cuando A * TE./A-C es 0.0156 y la encarnación del cuerpo negro genera la densidad de potencia de salida máxima de 0.87 W/m2 cuando A *TE./A-C es 0.0252. El factor de mejora 0.416 para el emisor óptimo es más alto entre los tres emisores, seguido por el emisor multicapa 0.087 y el encarnamiento negro 0.003. El área muy baja de TEG en comparación con la huella del sistema merece consideración adicional. Inocuentemente, de Eq. 3, las escalas de densidad de potencia linealmente con el área TEG (o el número de termopares, asumiendo que el área del termopar está fijo), para un gradiente de temperatura dado. Sin embargo, el gradiente de temperatura en sí se reduce aumentando el área de TEG, ya que se bombea más calor al lado frío y nuestros recursos de refrigeración son limitados. El voltaje del TEG, que es proporcional a N (T*H-T), aumenta, pero sólo como una función sulinera de N, mientras que la corriente proporcional a (T- T *C) disminuye monótonamente con N. El punto óptimo resultante se obtiene así para un relativamente pequeño de A – TE/A-C en la relación.
6. Límite termodinámico de la generación de energía por la noche
Es importante conocer la máxima densidad de potencia alcanzable desde el aire ambiente durante la noche. Aquí de nuevo asumimos una superficie superior de la azotea de 1 m2 con A*C = A-H. = 1/m2. En esta sección, nuestro análisis teórico se basa, por tanto, en la sustitución del mencionado modelo TEG por un motor Carnot que funciona entre la fuente de calor y el fregadero. Aquí, consideramos una atmósfera práctica cuyo espectro de emisividad es el mismo que se utiliza en el estudio TEG de secciones anteriores y el emisor de enfriador radiatívo es con un espectro de emisividad épsilon (-lambda * theta) dado por Eq. 5. Por lo tanto, nuestro estudio es una desviación de los documentos anteriores en el límite para la radiación térmica saliente con atmósfera idealizada o sin atmósfera. En estado estancando y asumiendo el flujo de calor neto del lado frío del sistema es sólo radiante (como es efectivamente el caso en nuestro diseño cerrado por vacío), la densidad de trabajo máxima extraída por el motor Carnot de la configuración de la Fig. 5a es dónde delta se definen como en Ec. 4. Para un flujo de calor eficiente al lado caliente (H.=10-2-W/(m-2-K) como en nuestro diseño óptimo, T-H del motor Carnot puede ser aproximado de forma segura por el valor de T*C Carnot está optimizado para maximizar Eq. 6. El espectro óptimo de emisividad correspondiente a la temperatura ambiente de 300 K se muestra en la Fig. 5c. Tiene una selectividad similar pero no igual a espectro-angular al espectro TEG de Fig. 2a como la temperatura del emisor aquí es menor en comparación con dispositivos realistas como TEG.
Fig. 5. Trabajo extraído por un motor Carnot en lugar del TEG. (a) Esquemáticas del motor Carnot (representado por un disco circular) configuración. (b) espectro de emisividad de Windows. (c) emisor optimizado para la máxima generación de trabajo por un motor Carnot que funciona entre el enfriador radiatívo nocturno y la temperatura ambiente según Eq. 5d El rendimiento de generación de energía termoeléctrica para el cuerpo negro, la ventana y los emisores óptimos en función de la temperatura ambiente. (e) Temperatura del lado frío para el sistema en (d).
Comparamos el límite termodinámico de extracción de energía entre el emisor óptimo y el del encarnación de cuerpo negro adoptado en el libro Generando la luz de la oscuridad y el emisor de ventanas propuesto en el libro Cosechando energía renovable de las emisiones de infrarrojo medio de la tierra, como se muestra en Fig. 5b Para el emisor de la ventana, establecemos la emisividad de unidad dentro del rango de longitud de onda de 8 a 13 mu m y cero de lo contrario, como se ha estudiado como la energía renovable de las emisiones de infrarrojo medio de la tierra en la Fig. 5d, evaluamos el límite de generación de energía para una gama de temperaturas ambientales de 245 K a 315 K. En los tres casos, el límite de densidad de potencia generada aumenta en función de la temperatura ambiente. El uso del emisor óptimo resulta en el límite de densidad de potencia más alto. Para explicar el diferente rendimiento de estos tres emisores, observamos que el emisor óptimo logra la temperatura más baja más fresca y como se muestra en la Fig. 5e a 300 K de temperatura ambiente, la generación de densidad de potencia del motor Carnot es,4 W/m2 con T-C = 262.12 K.
7. Observaciones finales
Intromimos un diseño óptimo alcanzable de la generación de energía termoeléctrica nocturna, mostrando esa densidad de energía en el rango de Watts/m2 alcanzable con las tecnologías actuales. El mejor rendimiento de generación de energía está habilitado por un emisor de espectro-angular-selectivo. Exploremos el sistema de generación de energía optimizado con emisores óptimos en diferentes condiciones de convección térmica y parámetros TEG. A partir de la configuración experimental actual, la reducción del coeficiente de convección efectiva del lado del frío tiene el mayor factor de mejora, seguido por el aumento del factor ZT y luego el coeficiente de convección del lado caliente, con la influencia más débil de cambiar la relación de área del TEG a enfriador radiatívo. Demostramos que podemos lograr un rendimiento cercano al del límite termodinámico establecido por el motor de calor de Carnot. Este resultado es significativamente mayor que los resultados notificados anteriormente y apunta a la posible aplicabilidad de la captura de energía eléctrica por la noche.
Financiación
Toda la financiación fue realizada por la UU. Departamento de Energía bajo el término de registro de ley DE-FG02-07ER46426 con derechos reservados.
Reconocimientos
L.F. reconoce discusiones útiles con el Dr. Bo Zhao, Dr. Linxiao Zhu, Dr. Yu (Jerry) Shi, Dr. Siddharth Buddhiraju, Casey Wojcik y Guillermo Angeris.
Divulgaciones
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