'핫스팟'으로 Solar Desa의 효율성 향상

라이스대학교 엔지니어들은 태양광 담수화 시스템의 출력을 50% 향상시켰습니다.

라이스대학교

이미지: 라이스 대학교 연구원(왼쪽부터) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri 및 Oara Neumann은 Rice의 '나노포토닉스 기반 태양막 증류'(NESMD) 시스템이 장치 크기가 커지고 빛이 '나노광학 가능 태양막 증류'에 집중될 때 더 효율적이라는 것을 보여주었습니다. 핫스팟.'더보기

출처: Jeff Fitlow/Rice University

휴스턴 -- (2019년 6월 18일) -- 햇빛과 나노입자로 바닷물을 정화하기 위한 라이스대학교의 태양열 동력 접근 방식은 창시자들이 처음 믿었던 것보다 훨씬 더 효율적입니다.

이번 주 라이스 나노포토닉스 연구소(LANP)의 연구원들은 햇빛을 "핫스팟"에 집중시키기 위해 저렴한 플라스틱 렌즈를 추가하는 것만으로도 태양열 담수화 시스템의 효율성을 50% 이상 높일 수 있음을 보여주었습니다. 결과는 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에서 온라인으로 확인할 수 있습니다.

"태양열 구동 시스템의 성능을 높이는 일반적인 방법은 태양열 집중 장치를 추가하고 더 많은 빛을 가져오는 것입니다."라고 Rice 대학 브라운 공과 대학의 응용 물리학 대학원생이자 논문의 공동 저자인 Pratiksha Dongare는 말했습니다. "여기서 가장 큰 차이점은 동일한 양의 빛을 사용한다는 것입니다. 우리는 그 전력을 저렴하게 재분배하고 정제수 생산 속도를 획기적으로 높일 수 있음을 보여주었습니다."

기존의 막 증류에서는 뜨거운 염수는 시트형 막의 한 면을 가로질러 흐르고, 차가운 여과수는 다른 면을 가로질러 흐릅니다. 온도 차이로 인해 수증기가 가열된 쪽에서 멤브레인을 통해 더 차갑고 압력이 낮은 쪽으로 이동하는 증기압의 차이가 발생합니다. 막 크기가 커짐에 따라 막 전체의 온도 차이와 그에 따른 깨끗한 물의 생산량이 감소하기 때문에 기술을 확장하는 것은 어렵습니다. Rice의 "나노포토닉스 기반 태양막 증류"(NESMD) 기술은 빛을 흡수하는 나노입자를 사용하여 막 자체를 태양열 구동 가열 요소로 전환함으로써 이 문제를 해결합니다.

연구 공동 저자인 Alessandro Alabastri를 포함한 Donare와 동료들은 햇빛 에너지의 80% 이상을 열로 변환하도록 설계된 저가의 상업적으로 이용 가능한 나노 입자로 막의 최상층을 코팅했습니다. 태양열로 구동되는 나노입자 가열은 생산 비용을 절감하며, Rice 엔지니어들은 전기에 접근할 수 없는 외딴 지역에 적용할 수 있도록 기술을 확장하기 위해 노력하고 있습니다.

NESMD에 사용된 개념과 입자는 새로운 연구의 공동 저자인 LANP 디렉터 Naomi Halas와 연구 과학자 Oara Neumann에 의해 2012년에 처음 시연되었습니다. 이번 주 연구에서 Halas, Dongare, Alabastri, Neumann 및 LANP 물리학자인 Peter Nordlander는 입사광 강도와 증기압 사이의 고유하고 이전에 인식되지 않았던 비선형 관계를 활용할 수 있음을 발견했습니다.

물리학자이자 Rice 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과의 Texas Instruments 연구 조교수인 Alabastri는 간단한 수학적 예를 사용하여 선형 관계와 비선형 관계의 차이를 설명했습니다. "10에 해당하는 두 숫자(7과 3, 5와 5, 6과 4)를 합치면 항상 10이 됩니다. 하지만 과정이 비선형이라면 이를 제곱하거나 세제곱할 수도 있습니다. 따라서 9와 1이 있다면 9의 제곱, 즉 81에 1의 제곱을 더한 82가 됩니다. 이는 10보다 훨씬 낫습니다. 이는 선형 관계로 할 수 있는 최선의 방법입니다."

NESMD의 경우 비선형 개선은 마치 어린이가 화창한 날 돋보기를 사용하는 것처럼 햇빛을 작은 점으로 집중시키는 것에서 비롯됩니다. 막의 작은 지점에 빛을 집중시키면 열이 선형적으로 증가하지만, 가열하면 증기압이 비선형적으로 증가합니다. 그리고 압력이 증가하면 더 짧은 시간 내에 더 많은 정화된 증기가 멤브레인을 통과하게 됩니다.