'Pontos quentes' aumentam a eficiência do desafogo solar

Engenheiros da Rice University aumentam a produção do sistema de dessalinização solar em 50%

Universidade Rice

imagem: Pesquisadores da Rice University (da esquerda) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri e Oara Neumann mostraram que o sistema de 'destilação por membrana solar habilitada para nanofotônica' (NESMD) de Rice foi mais eficiente quando o tamanho do dispositivo foi ampliado e a luz foi concentrada em ' pontos quentes.'Veja mais

Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

HOUSTON - (18 de junho de 2019) - A abordagem movida a energia solar da Rice University para purificar a água salgada com luz solar e nanopartículas é ainda mais eficiente do que seus criadores acreditavam.

Pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) mostraram esta semana que poderiam aumentar a eficiência de seu sistema de dessalinização movido a energia solar em mais de 50% simplesmente adicionando lentes de plástico baratas para concentrar a luz solar em "pontos quentes". Os resultados estão disponíveis online no Proceedings of the National Academy of Sciences.

“A maneira típica de aumentar o desempenho em sistemas movidos a energia solar é adicionar concentradores solares e trazer mais luz”, disse Pratiksha Dongare, estudante de pós-graduação em física aplicada na Escola de Engenharia Brown de Rice e coautor principal do artigo. "A grande diferença aqui é que estamos usando a mesma quantidade de luz. Mostramos que é possível redistribuir essa energia de forma econômica e aumentar drasticamente a taxa de produção de água purificada".

Na destilação por membrana convencional, a água quente e salgada flui através de um lado de uma membrana em forma de folha, enquanto a água fria e filtrada flui pelo outro lado. A diferença de temperatura cria uma diferença na pressão de vapor que conduz o vapor de água do lado aquecido através da membrana para o lado mais frio e de menor pressão. Aumentar a escala da tecnologia é difícil porque a diferença de temperatura através da membrana - e a saída resultante de água limpa - diminui à medida que o tamanho da membrana aumenta. A tecnologia de "destilação de membrana solar habilitada para nanofotônica" (NESMD) de Rice aborda isso usando nanopartículas de absorção de luz para transformar a própria membrana em um elemento de aquecimento movido a energia solar.

Dongare e seus colegas, incluindo o co-autor do estudo Alessandro Alabastri, revestem a camada superior de suas membranas com nanopartículas de baixo custo disponíveis comercialmente, projetadas para converter mais de 80% da energia solar em calor. O aquecimento de nanopartículas movido a energia solar reduz os custos de produção, e os engenheiros da Rice estão trabalhando para ampliar a tecnologia para aplicações em áreas remotas que não têm acesso à eletricidade.

O conceito e as partículas usadas no NESMD foram demonstrados pela primeira vez em 2012 pela diretora do LANP, Naomi Halas, e pela cientista pesquisadora Oara Neumann, ambas coautoras do novo estudo. No estudo desta semana, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann e o físico do LANP, Peter Nordlander, descobriram que poderiam explorar uma relação não linear inerente e anteriormente não reconhecida entre a intensidade da luz incidente e a pressão do vapor.

Alabastri, físico e professor assistente de pesquisa da Texas Instruments no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Rice, usou um exemplo matemático simples para descrever a diferença entre uma relação linear e não linear. "Se você pegar quaisquer dois números iguais a 10 -- sete e três, cinco e cinco, seis e quatro -- você sempre obterá 10 se os somar. eles antes de somar. Portanto, se tivermos nove e um, isso seria nove ao quadrado, ou 81, mais um ao quadrado, que é igual a 82. Isso é muito melhor do que 10, que é o melhor que você pode fazer com uma relação linear."

No caso do NESMD, a melhoria não linear vem da concentração da luz solar em pontos minúsculos, como uma criança faria com uma lupa em um dia ensolarado. Concentrar a luz em um ponto minúsculo na membrana resulta em um aumento linear de calor, mas o aquecimento, por sua vez, produz um aumento não linear na pressão de vapor. E o aumento da pressão força mais vapor purificado através da membrana em menos tempo.