Ученые разработали алмазную наножидкость, преобразующую солнечную энергию в тепло. В лабораторных испытаниях миниатюрный солнечный коллектор — устройство для нагрева воды с помощью энергии света — с такой наножидкостью продемонстрировал рекордную эффективность в 87%, что почти в два раза выше, чем у аналогов. Разработка позволит усовершенствовать и удешевить экологически чистые системы отопления и опреснения воды. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.
Традиционно в системах отопления и горячего водоснабжения для нагрева воды в качестве топлива используют электрическую энергию, газ или твердые материалы, например уголь и пеллеты (спрессованные древесные отходы). Однако более экологичной альтернативой может служить солнечная энергия. Для ее преобразования используют коллекторы, в которых твердые носители, такие как полупроводниковые кристаллы, поглощают свет и передают его энергию в теплопроводящие системы. Но такие устройства несовершенны: они теряют часть энергии из-за неэффективного поглощения и теплопередачи. Поэтому ученые разрабатывают солнечные коллекторы, в которых рабочим элементом служит наножидкость — раствор с наночастицами, хорошо поглощающими и проводящими тепло. Однако большинство существующих наножидкостей либо дороги в производстве, либо недостаточно стабильны.
Ученые из ООО НПК «НАНОСИСТЕМЫ» (Ростов-на-Дону) синтезировали и запатентовали алмазную наножидкость, после чего их коллеги из Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (Москва) протестировали разработку.
В качестве основы для наножидкости авторы взяли воду с частицами измельченного графита. На нее подействовали мощными ультразвуковыми импульсами и микроволновым излучением, под действием которых в воде возникли микроскопические пузырьки. Их схлопывание локально повысило температуру воды до 5000°C, а давление — до тысячи атмосфер. В этих условиях графит превратился в наноалмазы размером в десятки раз меньше вирусов.
Таким методом авторы приготовили наножидкости с разными концентрациями алмазных частиц — от 0,01% до 0,55%. Затем исследователи поместили полученные образцы в экспериментальную установку с лампой, по спектру имитирующей солнечный свет, и проверили, насколько быстро жидкости нагреваются.
Эксперимент показал, что жидкость с концентрацией алмазных наночастиц в 0,1% преобразует энергию солнечного света в тепло с эффективностью 75,8%. Образец с содержанием наночастиц в 0,25% показал лучший результат — его эффективность достигла 87,2%. Это значение превышает характеристики аналогичных коллекторов на основе дистиллированной воды и традиционного твердотельного устройства на 40,7% и 14,5% соответственно.
«Наша разработка поможет повысить эффективность солнечных тепловых установок и других энергоэкономичных систем. Она позволяет быстрее и полнее аналогов преобразовывать солнечный свет в тепло, что означает получение больших объемов горячей воды и тепла при меньших затратах. Такая технология особенно полезна для домов, предприятий и целых поселков в удаленных районах, где доступ к централизованным источникам энергии ограничен или отсутствует. Внедрение этой разработки поможет сделать солнечную энергетику доступнее, снизить зависимость от нефти и газа, а также уменьшить выбросы парниковых газов. Это шаг к более чистому воздуху, стабильным ценам на энергию и большей энергетической независимости. В будущем такие решения могут изменить подход к обеспечению теплом и энергией городов и сельских районов по всему миру», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Инна Михайлова, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского отдела «Гидродинамика и теплоперенос при испарении, кипении и конденсации рабочих жидкостей на поверхности гибридных графеновых композитов применительно к перспективным направлениям традиционной и альтернативной энергетики» НИУ «Московский энергетический институт».
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм