「ホットスポット」により太陽光発電の効率が向上

ライス大学のエンジニアが太陽光淡水化システムの出力を 50% 向上

ライス大学

画像：ライス大学の研究者（左から）プラティクシャ・ドンガレ氏、アレッサンドロ・アラバストリ氏、オアラ・ニューマン氏は、ライス大学の「ナノフォトニクスを利用した太陽膜蒸留」（NESMD）システムは、装置のサイズが拡大され、光が「ナノフォトニクス利用太陽膜蒸留」に集中するとより効率的になることを示した。ホットスポット。もっと見る

クレジット: Jeff Fitlow/ライス大学

ヒューストン -- (2019 年 6 月 18 日) -- 太陽光とナノ粒子を使って塩水を浄化するライス大学の太陽光発電アプローチは、開発者が最初に考えていたよりもさらに効率的です。

ライスのナノフォトニクス研究所（LANP）の研究者らは今週、安価なプラスチックレンズを追加して太陽光を「ホットスポット」に集中させるだけで、太陽光発電の淡水化システムの効率を50％以上高めることができることを示した。 結果は、米国科学アカデミー紀要からオンラインで入手できます。

「太陽光発電システムの性能を向上させる典型的な方法は、太陽光集光器を追加して、より多くの光を取り込むことです」と、ライス大学ブラウン工学大学院応用物理学の大学院生で論文の共同主著者であるプラティクシャ・ドンガレ氏は述べた。 「ここでの大きな違いは、同じ量の光を使用しているということです。私たちは、その電力を安価に再分配し、精製水の生産速度を劇的に向上させることが可能であることを示しました。」

従来の膜蒸留では、シート状の膜の片面に熱い塩水が流れ、もう一方の面には冷たい濾過水が流れます。 温度差により蒸気圧の差が生じ、水蒸気が加熱された側から膜を通って低温の低圧側に移動します。 膜のサイズが大きくなるにつれて、膜全体の温度差、およびその結果として生じる浄水の生産量が減少するため、この技術のスケールアップは困難です。 ライスの「ナノフォトニクス対応太陽膜蒸留」（NESMD）技術は、光吸収ナノ粒子を使用して膜自体を太陽駆動の発熱体に変えることでこの問題に対処する。

研究の共同主著者であるアレッサンドロ・アラバストリを含むドンガレ氏と同僚らは、太陽光エネルギーの80％以上を熱に変換するように設計された低コストの市販のナノ粒子で膜の最上層をコーティングした。 太陽光駆動のナノ粒子加熱により生産コストが削減され、ライスのエンジニアは、電気にアクセスできない僻地での用途向けにこの技術を拡大することに取り組んでいます。

NESMD で使用される概念と粒子は、LANP ディレクターのナオミ・ハラス氏と研究科学者のオアラ・ニューマン氏によって 2012 年に初めて実証されました。両氏はこの新しい研究の共著者です。 今週の研究で、ハラス、ドンガレ、アラバストリ、ノイマン、LANPの物理学者ピーター・ノルドランダーは、入射光の強度と蒸気圧の間の、これまで認識されていなかった固有の非線形関係を利用できることを発見した。

物理学者であり、ライス大学の電気・コンピュータ工学部のテキサス・インスツルメンツ研究助教授でもあるアラバストリ氏は、単純な数学的例を使って、線形関係と非線形関係の違いを説明しました。 「10 に等しい 2 つの数値、つまり 7 と 3、5 と 5、6 と 4 を取得した場合、それらを加算すると常に 10 になります。しかし、プロセスが非線形の場合は、それらを 2 乗または 3 乗することもできます。 「9 と 1 がある場合、9 の 2 乗、つまり 81 に 1 の 2 乗を加えて 82 になります。これは 10 よりもはるかに優れており、線形関係でできる最高の値です。」

NESMD の場合、晴れた日に子供が虫眼鏡を使うのと同じように、太陽光を小さな点に集中させることで非線形の改善が得られます。 膜上の小さなスポットに光を集中させると、熱は線形に増加しますが、加熱により蒸気圧は非線形に増加します。 そして、圧力が増加すると、より多くの精製蒸気がより短時間で膜を通過します。

「膜全体に光子を均一に分布させるよりも、より小さな領域に多くの光子を存在させる方が常に良いことを示しました」とアラバストリ氏は述べた。

光活性化ナノ材料の使用の先駆者として 25 年以上を費やしてきた化学者兼エンジニアのハラス氏は、「水不足は世界の約半数の人々にとって日常的な現実であるため、この非線形光学プロセスによってもたらされる効率は重要です。効率的な天日蒸留がそれを変える可能性があります。

「水の浄化を超えて、この非線形光学効果は、太陽熱を利用して光触媒などの化学プロセスを推進する技術も改善する可能性がある」とハラス氏は述べた。

たとえば、LANP は、大気圧でアンモニアを水素燃料に変換するための銅ベースのナノ粒子を開発しています。

ハラス氏はスタンレー・C・ムーア電気工学およびコンピュータ工学教授であり、ライス大学スモーリー・カール研究所所長であり、化学、生物工学、物理学および天文学、材料科学およびナノ工学の教授でもあります。

NESMD は米に拠点を置くナノテクノロジー対応水処理センター (NEWT) で開発中であり、2018 年にエネルギー省の太陽熱淡水化プログラムから研究開発資金を獲得しました。

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この研究は、国立科学財団 (EEC-1449500)、空軍科学研究局 (FA9550-15-1-0022)、ウェルチ財団 (C-1220、C-1222 および LC-0004)、およびSmalley-Curl Institute の J. Evans Attwell-Welch Fellowship プログラムと Peter M. and Ruth L. Nicholas Fellowship プログラム。 Dongare、Alabastri、Neumann、Nordlander、および Halas は、この研究に関する仮特許の共同発明者です。

ビデオは以下から入手できます。

https://youtu.be/z36jMKk-AdQ

高解像度の画像は次の場所からダウンロードできます。

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-gp6-lg.jpg?説明: ライス大学の研究者 (左から) プラティクシャ ドンガレ、アレッサンドロ アラバストリ、オアラ ニューマンは、ライスの「ナノフォトニクス」 「太陽膜蒸留可能」（NESMD）システムは、装置のサイズが拡大され、光が「ホットスポット」に集中すると、より効率的でした。 (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla1-lg.jpg?CAPTION: ライス大学ナノフォトニクス研究所の研究者らは、太陽光発電の淡水化システムの効率を高めることができることを発見した安価なプラスチックレンズを追加して太陽光を「ホットスポット」に集中させることで、50％以上減少します。 (写真提供: Pratiksha Dongare/ライス大学)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla4-lg.jpg?キャプション: 発熱膜上の小さなスポットに太陽光を集中させることで、これまで認識されていなかった固有の非線形関係を利用します光熱加熱と蒸気圧の間。 (写真提供: Pratiksha Dongare/ライス大学)

https://news.rice.edu/files/2019/01/0114_SPIERS-Halas030-lg-1svkrsl.jpg?説明: ライス大学ナノフォトニクス研究所所長のナオミ・ハラス氏は、25 年以上のキャリアを持つエンジニア兼化学者です。光活性化ナノマテリアルの使用の先駆者です。 (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)

リンクとリソース:

PNAS 論文の DOI は、10.1073/pnas.1905311116 です。

この論文のコピーは、pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1905311116 から入手できます。

ジョージ R. ブラウン工学院: Engineering.rice.edu

ライス応用物理大学院プログラム: applyphysics.rice.edu/

ライス・スモーリー・カール研究所: sci.rice.edu

ナオミ・ハラス: eceweb.rice.edu/naomi-halas

ライス電気・コンピュータ工学科: ece.rice.edu

ライスの関連研究:

DOE、ライス社の太陽光淡水化技術の実地試験に資金提供 -- 2018 年 6 月 25 日?https://news.rice.edu/2018/06/25/doe-funds-field-test-of-rices-solar-desalination-technology- 2/

米の研究者が水の淡水化技術を実証 -- 2017 年 11 月 13 日?https://news.rice.edu/2017/11/13/rice-researchers-to-demonstrate-water-desalination-technology/

太陽エネルギーのみを使用して海水から淡水を作る -- 2017 年 6 月 19 日?http://news.rice.edu/2017/06/19/freshwater-from-salt-water-using-only-solar-energy/

ライス、ASU、エール大学、UTEP が NSF 工学研究センターを獲得 -- 2015 年 8 月 10 日?http://news.rice.edu/2015/08/10/rice-asu-yale-utep-win-nsf-engineering-リサーチセンター/

Rice U. の「ソーラー スチーム」によるオフグリッド滅菌 -- 2013 年 7 月 22 日?https://news.rice.edu/2013/07/22/off-grid-sterilization-with-rice-us-solar -蒸気/

ライス、超効率的な太陽エネルギー技術を発表?https://news.rice.edu/2012/11/19/rice-unveils-super-efficient-solar-energy-technology/

このリリースはオンラインの news.rice.edu でご覧いただけます。

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ヒューストンの 300 エーカーの森林に覆われたキャンパスに位置するライス大学は、US News & World Report によって常に全米トップ 20 の大学にランクされています。 ライス大学は、建築、ビジネス、継続研究、工学、人文科学、音楽、自然科学、社会科学の学校で高く評価されており、ベイカー公共政策研究所の本拠地でもあります。 ライス大学には学部生が 3,962 人、大学院生が 3,027 人おり、学部生と教員の比率は 6 対 1 弱です。 その全寮制カレッジ システムは、緊密なコミュニティと生涯にわたる友情を構築します。これが、ライス大学がプリンストン レビューで人種や階級の交流の多さで第 1 位、生活の質で第 2 位にランクされている理由の 1 つです。 ライス大学は、キプリンガーのパーソナル・ファイナンスでも私立大学の中で最高の価値があると評価されています。

米国科学アカデミーの議事録

10.1073/pnas.1905311116

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