Los 'puntos calientes' aumentan la eficiencia de la energía solar desa

Los ingenieros de la Universidad de Rice aumentan la producción del sistema de desalinización solar en un 50%

Universidad de arroz

imagen: Los investigadores de la Universidad de Rice (desde la izquierda) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri y Oara Neumann demostraron que el sistema de 'destilación de membrana solar habilitada por nanofotónica' (NESMD) de Rice era más eficiente cuando el tamaño del dispositivo se ampliaba y la luz se concentraba en ' Puntos calientes.'ver más

Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice

HOUSTON -- (18 de junio de 2019) -- El enfoque de energía solar de la Universidad de Rice para purificar el agua salada con luz solar y nanopartículas es incluso más eficiente de lo que creían sus creadores.

Investigadores del Laboratorio de Nanofotónica (LANP) de Rice demostraron esta semana que podrían aumentar la eficiencia de su sistema de desalinización alimentado por energía solar en más del 50% simplemente agregando lentes de plástico de bajo costo para concentrar la luz solar en "puntos calientes". Los resultados están disponibles en línea en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

"La forma típica de aumentar el rendimiento en los sistemas impulsados ​​por energía solar es agregar concentradores solares y traer más luz", dijo Pratiksha Dongare, estudiante de posgrado en física aplicada en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y coautora principal del artículo. "La gran diferencia aquí es que estamos usando la misma cantidad de luz. Hemos demostrado que es posible redistribuir esa energía de manera económica y aumentar drásticamente la tasa de producción de agua purificada".

En la destilación de membrana convencional, el agua salada caliente fluye a través de un lado de una membrana en forma de lámina, mientras que el agua fría y filtrada fluye a través del otro. La diferencia de temperatura crea una diferencia en la presión de vapor que impulsa el vapor de agua desde el lado calentado a través de la membrana hacia el lado más frío y de menor presión. Ampliar la tecnología es difícil porque la diferencia de temperatura a través de la membrana, y la producción resultante de agua limpia, disminuye a medida que aumenta el tamaño de la membrana. La tecnología de "destilación de membrana solar habilitada por nanofotónica" (NESMD) de Rice aborda este problema mediante el uso de nanopartículas que absorben luz para convertir la membrana en un elemento de calentamiento impulsado por energía solar.

Dongare y sus colegas, incluido el coautor del estudio, Alessandro Alabastri, recubren la capa superior de sus membranas con nanopartículas disponibles comercialmente y de bajo costo que están diseñadas para convertir más del 80% de la energía solar en calor. El calentamiento de nanopartículas impulsado por energía solar reduce los costos de producción, y los ingenieros de Rice están trabajando para ampliar la tecnología para aplicaciones en áreas remotas que no tienen acceso a la electricidad.

El concepto y las partículas utilizadas en NESMD fueron demostrados por primera vez en 2012 por la directora de LANP, Naomi Halas, y la científica investigadora Oara Neumann, ambas coautoras del nuevo estudio. En el estudio de esta semana, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann y el físico de LANP Peter Nordlander descubrieron que podían explotar una relación no lineal inherente y previamente no reconocida entre la intensidad de la luz incidente y la presión de vapor.

Alabastri, físico y profesor asistente de investigación de Texas Instruments en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice, usó un ejemplo matemático simple para describir la diferencia entre una relación lineal y no lineal. "Si tomas dos números que suman 10 (siete y tres, cinco y cinco, seis y cuatro), siempre obtendrás 10 si los sumas. Pero si el proceso no es lineal, puedes elevarlos al cuadrado o incluso al cubo. antes de sumar. Entonces, si tenemos nueve y uno, sería nueve al cuadrado, u 81, más uno al cuadrado, lo que equivale a 82. Eso es mucho mejor que 10, que es lo mejor que se puede hacer con una relación lineal".

En el caso de NESMD, la mejora no lineal proviene de concentrar la luz solar en pequeños puntos, como lo haría un niño con una lupa en un día soleado. Concentrar la luz en un pequeño punto de la membrana da como resultado un aumento lineal de calor, pero el calentamiento, a su vez, produce un aumento no lineal de la presión de vapor. Y el aumento de la presión fuerza más vapor purificado a través de la membrana en menos tiempo.

"Demostramos que siempre es mejor tener más fotones en un área más pequeña que tener una distribución homogénea de fotones en toda la membrana", dijo Alabastri.

Halas, un químico e ingeniero que pasó más de 25 años siendo pionero en el uso de nanomateriales activados por luz, dijo: "Las eficiencias proporcionadas por este proceso óptico no lineal son importantes porque la escasez de agua es una realidad diaria para aproximadamente la mitad de la población mundial, y la destilación solar eficiente podría cambiar eso.

"Más allá de la purificación del agua, este efecto óptico no lineal también podría mejorar las tecnologías que utilizan el calor solar para impulsar procesos químicos como la fotocatálisis", dijo Halas.

Por ejemplo, LANP está desarrollando una nanopartícula a base de cobre para convertir el amoníaco en combustible de hidrógeno a presión ambiental.

Halas es profesor de Stanley C. Moore de Ingeniería Eléctrica e Informática, director del Instituto Smalley-Curl de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería.

NESMD está en desarrollo en el Centro de Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT) basado en Rice y ganó fondos de investigación y desarrollo del programa de Desalinización Solar del Departamento de Energía en 2018.

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La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (EEC-1449500), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-15-1-0022), la Fundación Welch (C-1220, C-1222 y LC-0004) y la Programa de becas J. Evans Attwell-Welch del Instituto Smalley-Curl y programa de becas Peter M. y Ruth L. Nicholas. Dongare, Alabastri, Neumann, Nordlander y Halas son coinventores de una patente provisional relacionada con la investigación.

VÍDEO está disponible en:

https://youtu.be/z36jMKk-AdQ

Las IMÁGENES de alta resolución están disponibles para su descarga en:

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-gp6-lg.jpg?LEYENDA: Los investigadores de la Universidad de Rice (desde la izquierda) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri y Oara Neumann demostraron que la "nanofotónica" de Rice El sistema de destilación de membrana solar habilitada" (NESMD) fue más eficiente cuando el tamaño del dispositivo se amplió y la luz se concentró en "puntos calientes". (Foto de Jeff Fitlow/Universidad de Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla1-lg.jpg?LEYENDA: Investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice descubrieron que podrían aumentar la eficiencia de su sistema de desalinización con energía solar en más del 50% agregando lentes de plástico de bajo costo para concentrar la luz solar en "puntos calientes". (Foto de Pratiksha Dongare/Universidad de Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla4-lg.jpg?LEYENDA: Concentrar la luz solar en pequeños puntos en la membrana generadora de calor explota una relación no lineal inherente y previamente no reconocida entre el calentamiento fototérmico y la presión de vapor. (Foto de Pratiksha Dongare/Universidad de Rice)

https://news.rice.edu/files/2019/01/0114_SPIERS-Halas030-lg-1svkrsl.jpg?LEYENDA: Naomi Halas, directora del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice, es una ingeniera y química que pasó más de 25 años pionera en el uso de nanomateriales activados por luz. (Foto de Jeff Fitlow/Universidad de Rice)

Enlaces y recursos:

El DOI del documento PNAS es: 10.1073/pnas.1905311116

Una copia del documento está disponible en: pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1905311116

Escuela de Ingeniería George R. Brown: ingenieria.rice.edu

Programa de Posgrado en Física Aplicada de Rice: addedphysics.rice.edu/

Instituto Rice Smalley-Curl: sci.rice.edu

Naomi Halas: eceweb.rice.edu/naomi-halas

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice: ece.rice.edu

Investigaciones relacionadas de Rice:

El DOE financia la prueba de campo de la tecnología de desalinización solar de Rice -- ¿25 de junio de 2018? https://news.rice.edu/2018/06/25/doe-funds-field-test-of-rices-solar-desalination-technology- 2/

Investigadores de arroz demostrarán tecnología de desalinización de agua -- ¿13 de noviembre de 2017? https://news.rice.edu/2017/11/13/rice-researchers-to-demonstrate-water-desalination-technology/

Agua dulce de agua salada usando solo energía solar -- 19 de junio de 2017?http://news.rice.edu/2017/06/19/freshwater-from-salt-water-using-only-solar-energy/

Rice, ASU, Yale, UTEP ganan el centro de investigación de ingeniería NSF -- 10 de agosto de 2015? http://news.rice.edu/2015/08/10/rice-asu-yale-utep-win-nsf-engineering- centro de Investigación/

Esterilización fuera de la red con 'vapor solar' de Rice U. -- ¿22 de julio de 2013? https://news.rice.edu/2013/07/22/off-grid-sterilization-with-rice-us-solar -vapor/

Rice revela tecnología de energía solar supereficiente

Este comunicado se puede encontrar en línea en news.rice.edu.

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Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad de Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker para Políticas Públicas. Con 3.962 estudiantes universitarios y 3.027 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es un poco menos de 6 a 1. Su sistema de universidades residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por mucha interacción raza/clase y el número 2 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.

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10.1073/pnas.1905311116

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