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电力和能源的超材料

2021-07-23 来源:南充农业机械网

电力和能源的超材料

本系列的前两个常见问题解答考虑了超材料对先进的光学,音频系统,热管理以及mmWave通信和雷达各个方面的潜在影响。最终的常见问题解答将考虑超材料对能量收集(太阳能和太阳能),大功率长距离输电和无线充电的影响。其中一些是经过现场试验的早期商业阶段技术中国机械网okmao.com。

超材料的开发是一个复杂的过程。该名称源自希腊语“ meta”(意为“超越”)和拉丁语“ materia”(意为“事项”或“物质”)。该领域是多学科的,包括电气工程,半导体,电磁学,微波和天线工程,光电子学,经典光学,固态物理学,材料科学和纳米工程。

超材料的属性不是基于基础材料的属性,而是基于对复合材料的物理结构进行工程设计的。超材料是由包含金属,塑料,陶瓷等复合材料的多种元素组装而成的。超材料依靠精确的几何形状/形状,尺寸,方向和排列来获得其特性,这些特性超出了天然材料的可能范围。

能量收集

已经开发了一种获得专利的基于超材料的涂料,该涂料看起来不透明,但是基本上可以透光。当太阳能电池继续发电时,可以将其应用于太阳能电池以隐藏它们。涂层由直径小于5微米的微球组成,该微球具有30层或更多层具有不同介电性能的材料。为各个层设计正确的材料会导致特定波长的光的选择性散射,从而在表面上产生受控的颜色外观,同时对于大多数入射光波长仍是透明的。

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这种光学超材料涂层基本上是透光的,可用于掩盖太阳能电池板,而内部的太阳能电池仍在继续发电。

用于施加微球的结合可以是基于溶剂或水的。涂层的颜色仅取决于微球的结构,因此不会随时间而褪色。在常规涂料中,化学颜料会随着时间的推移而降解,并且颜色会褪色。超材料涂料的耐用性类似于高性能涂料(如汽车面漆)的耐用性。而且可以采用与传统油漆相同的工艺进行涂覆。这种新的超材料涂层的预期应用包括:

太阳能屋顶和建筑组件可收集太阳能,但外观却与传统的非能源收集对象相似

太阳能收集系统无缝融合到自然环境,偏远地区,荒野等地方,看不到难看的太阳能电池阵列

几乎可以看起来像任何物体的秘密监视设备

用于电动汽车的太阳能和集光车身板,但又不影响美观

除了正在开发用于热管理的超常材料(在本系列的第一个FAQ中讨论了“超常材料在电子领域的潜力”),超常材料也正在开发以实现热能收集。例如,太阳能吸收器应具有选择性吸收,高导热率,随时间变化的稳定性和简单的结构。一组澳大利亚研究人员正在研究一种三维结构化石墨烯超材料(SGM)。SGM由于其沟槽连接的金属结构,宽带能力和出色的导热性而具有波长选择性。

作为一种超薄石墨烯超材料,已经证明SGM吸收剂具有选择性和全向太阳能吸收能力以及出色的光热性能。它们非常稳定,并且具有90.1%的太阳热转换效率和96.2%的太阳蒸气效率,目前正在努力开发基于SGM吸收器的商用设备,用于太阳能热能的收集和处理。

另一组电气工程师利用机器学习的力量来设计可吸收和发射特定频率的太赫兹辐射的电介质(非金属)超材料。在这种情况下,太赫兹超材料由硅圆柱体的二乘二网格构成。调整四个圆柱体中每个圆柱体的高度,半径和间距会更改超材料与之交互作用的光的频率。这些热光电装置从热源产生电。它们的工作原理类似于太阳能电池板,只是它们吸收特定频率的红外光而不是可见光。

拟议中的热光伏能量采集器的图示。图片:杜克大学)

电力传输

总部位于新西兰的新兴公司Emrod开发了被认为是世界上第一个远程,高功率,无线电力传输系统,以替代现有的有线技术。Emrod技术通过利用电磁波安全有效地在远距离无线传输能量。已经建立了概念验证原型,该公司现在与新西兰第二大配电商Powerco合作,对该技术进行商业规模的试验。

波束成形,超材料和整流天线技术的组合被用于创建圆柱状的能量束,该能量束可以在数公里内传输大量功率。该系统不受天气或雨,雾或尘埃等大气条件的影响。在任何物体(从鸟类到直升飞机的范围)撞击光束之前,光束周围的低功率激光安全幕会关闭系统,一旦有干扰的物体离开光束区域,系统就会重新启动。这种支持超材料的无线电力传输技术的优势包括:

电力基础设施成本降低多达65%。

最多减少85%的停机时间。

通过降低基础设施成本来提高可持续能源利用的潜力。

与传统的铜基电力传输相比,故障点更少,从而提高了系统可靠性。

使用ISM(工业,科学,医学)频段的光束,其频率通常用于WiFi,蓝牙和RFID。

比常规动力传输更安全,减少触电的风险。

随着超材料,雷达技术和波束成形技术的进步,高功率电力的无线传输已实现了数公里之遥。图片:埃姆罗德(Emrod)

无线充电

除了可以远距离传输高功率之外,超材料还有望大大提高低功率无线充电系统的效率。负折射率超材料(NIM)可以显着提高功率传输效率。NIM的特征在于负折射率。尚未发现天然材料表现出负折射率。

使用NIM平板时,两个界面都可能发生负折射。当物体在这样的平板前面时,该物体的传播波分量可以聚焦在NIM平板内部,然后重新聚焦在平板的另一侧。而且,e逝波分量可以在NIM平板内部增强到类似于与原始电导体相邻的水平的水平。类似地,使用NIM平板,物体的van逝波可以远大于λ/ 3的经典距离恢复。这意味着,NIM平板可以恢复物体的传播波和and逝波,并制造出“完美的镜片”。

在发射器和接收器线圈之间使用基于超材料的(NIM)聚焦透镜来提高无线充电效率。图片:Researchgate)

三菱电机研究实验室的研究人员已经构建了包含NIM透镜的原型无线电源传输系统。实验结果(见上图)证明了所制造的超材料的效率提高。具有超材料的系统能够以无超材料的相同系统的大约两倍的效率无线传输功率。NIM透镜的一种潜在应用是为电动汽车充电。NIM透镜将成为车辆电力接收器子系统的一部分,并将从车辆底部掉落,并位于接收器和发送器线圈之间,以提高充电效率。

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