Retena Óptica: Gerando energia a partir do calor

De Fouad Sabry

O que é rectena óptica

Uma rectena que funciona com luz visível ou infravermelha é referida como rectena óptica. A transformação de ondas eletromagnéticas em eletricidade de corrente contínua é realizada usando uma rectena, que é um circuito que consiste em uma antena e um diodo. Uma rectena óptica funcionaria da mesma maneira que uma rectena de rádio ou microondas, mas converteria a luz infravermelha ou visível em eletricidade em vez de ondas de rádio ou microondas. Rectennas estão em uso há muito tempo.

Como você se beneficiará

(I) Insights e validações sobre os seguintes tópicos:

Capítulo 1: Retena óptica

Capítulo 2: Fotodiodo

Capítulo 3: Band gap

Capítulo 4: Arsenieto de gálio

Capítulo 5: Rectenna

Capítulo 6: Semicondutor de banda larga

Capítulo 7: Fosfeto de índio

Capítulo 8: Fotodetector

Capítulo 9: Efeito fotovoltaico

Capítulo 10: Termofotovoltaico

Capítulo 11: Célula solar híbrida

Capítulo 12: Célula fotovoltaica de terceira geração

Capítulo 13: Célula solar multijunção

Capítulo 14: Nanotubos de carbono em energia fotovoltaica

Capítulo 15: Célula solar orgânica

Capítulo 16: Sólido

Capítulo 17: Limite de Shockley-Queisser

Capítulo 18: Filme condutor transparente

Capítulo 19: Célula solar plasmônica

Capítulo 20: Pesquisa de células solares

Capítulo 21: Energia fotovoltaica sem sol

(II) Respondendo às principais perguntas do público sobre a rede óptica nna.

(III) Exemplos do mundo real para o uso de rectena óptica em muitos campos.

(IV) 17 apêndices para explicar, resumidamente, 266 tecnologias emergentes em cada indústria para ter Compreensão completa de 360 ​​graus das tecnologias de lentes ópticas.

Para quem é este livro

Profissionais, estudantes de graduação e pós-graduação, entusiastas, amadores e aqueles que querem ir além do conhecimento ou informação básica para qualquer tipo de retênia óptica.

• Idioma: Português
• Editora: Um Bilhão Bem Informado [Portuguese]
• Data de lançamento: 8 de nov. de 2022

Pré-visualização do livro

Direitos autorais

Copyright Óticos Rectenna © Copyright 2022 por Fouad Sabry. Todos os direitos reservados.

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro pode ser reproduzida sob qualquer forma ou por qualquer meio eletrónico ou mecânico, incluindo sistemas de armazenamento e recuperação de informações, sem autorização por escrito do autor. A única exceção é por um revisor, que pode citar pequenos excertos numa revisão.

Capa desenhada por Fouad Sabry.

Este livro é uma obra de ficção. Nomes, personagens, lugares e incidentes são produtos da imaginação do autor ou são usados de forma fictícia. Qualquer semelhança com pessoas reais, vivas ou mortas, eventos ou locais é inteiramente coincidência.

Bónus

Pode enviar um e-mail para [e-mail] com a linha de assunto Rectenna Ótica: Gerar energia a partir do calor, e receberá um e-mail que contém os primeiros capítulos deste livro.

Fouad Sabry

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Prefácio

Por que escrevi este livro?

A história de escrever este livro começou em 1989, quando eu era estudante na Escola Secundária de Estudantes Avançados.

É notavelmente como as escolas STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática), que estão agora disponíveis em muitos países avançados.

O STEM é um currículo baseado na ideia de educar os alunos em quatro disciplinas específicas - ciência, tecnologia, engenharia e matemática - numa abordagem interdisciplinar e aplicada. Este termo é normalmente usado para abordar uma política de educação ou uma escolha curricular nas escolas. Tem implicações no desenvolvimento da força de trabalho, nas preocupações de segurança nacional e na política de imigração.

Havia uma aula semanal na biblioteca, onde cada aluno é livre de escolher qualquer livro e ler durante 1 hora. O objetivo da aula é incentivar os alunos a lerem outras disciplinas que não o currículo educativo.

Na biblioteca, enquanto olhava para os livros nas prateleiras, notei livros enormes, num total de 5.000 páginas em 5 partes. O nome dos livros é A Enciclopédia da Tecnologia, que descreve tudo à nossa volta, from absoluto zero a semicondutores, quase todas as tecnologias, na altura, foram explicadas com ilustrações coloridas e palavras simples. Comecei a ler a enciclopédia, e claro, não consegui terminá-la na aula semanal de 1 hora.

Então, convenci o meu pai a comprar a enciclopédia. O meu pai comprou-me todas as ferramentas tecnológicas no início da minha vida, o primeiro computador e a primeira enciclopédia tecnológica, e ambos têm um grande impacto em mim e na minha carreira.

Terminei toda a enciclopédia nas mesmas férias de verão deste ano, e então comecei a ver como o universo funciona e como aplicar esse conhecimento aos problemas do dia-a-dia.

A minha paixão pela tecnologia começou há mais de 30 anos e ainda assim a viagem continua.

Este livro faz parte da Enciclopédia das Tecnologias Emergentes que é a minha tentativa de dar aos leitores a mesma experiência incrível que tive quando andava no liceu, mas em vez de tecnologias do século XX, estou mais interessado nas tecnologias emergentes do século XXI, aplicações e soluções industriais.

A Enciclopédia das Tecnologias Emergentes será composta por 365 livros, cada livro será focado numa única tecnologia emergente. Pode ler a lista de tecnologias emergentes e a sua categorização pela indústria na parte de Em breve, no final do livro.

365 livros para dar aos leitores a oportunidade de aumentar os seus conhecimentos sobre uma única tecnologia emergente todos os dias, no decurso de um ano.

Introdução

Como escrevi este livro?

Em todos os livros de A Enciclopédia das Tecnologias Emergentes, estou a tentar obter insights instantâneos, de pesquisa bruta, diretamente das mentes das pessoas, tentando responder às suas perguntas sobre a tecnologia emergente.

Há 3 mil milhões de pesquisas no Google todos os dias, e 20% delas nunca foram vistas antes. São como uma linha direta para os pensamentos das pessoas.

Às vezes, é Como é que retiro o encravamento de papel. Outras vezes, são os medos e os desejos secretos que só se atreveriam a partilhar com o Google.

Na minha busca para descobrir uma mina de ouro inexplorada de ideias de conteúdo sobre Rectenna Ótica, uso muitas ferramentas para ouvir dados autocompletos de motores de busca como o Google, e rapidamente escolho todas as frases e perguntas úteis, as pessoas estão a perguntar em torno da palavra-chave Rectenna Ótica.

É uma mina de ouro de pessoas introspeção, posso usar para criar conteúdo fresco, ultra-útil, produtos e serviços. Do tipo que pessoas, como tu, realmente querem.

As pesquisas de pessoas são o conjunto de dados mais importante alguma vez recolhido na psique humana. Portanto, este livro é um produto vivo, e constantemente atualizado por cada vez mais respostas para novas perguntas sobre Rectenna Ótica, feitas por pessoas, tal como tu e eu, a questionarem-se sobre esta nova tecnologia emergente e gostariam de saber mais sobre isso.

A abordagem para escrever este livro é obter um nível mais profundo de compreensão de como as pessoas procuram em torno de Rectenna Ótica, revelando perguntas e perguntas que eu não pensaria necessariamente fora da minha cabeça, e respondendo a estas perguntas em palavras super fáceis e digestivas, e para navegar o livro de uma forma simples.

Por isso, quando se trata de escrever este livro, assegurei-me de que está o mais otimizado e direcionado possível. Este propósito do livro está a ajudar as pessoas a compreender e a desenvolver os seus conhecimentos sobre Rectenna Ótica. Estou a tentar responder as perguntas das pessoas o mais de perto possível e a mostrar muito mais.

É uma forma fantástica e bonita de explorar questões e problemas que as pessoas têm e responder diretamente, e adicionar insights, validação e criatividade ao conteúdo do livro – até mesmo pitchs e propostas. O livro revela áreas ricas, menos aglomeradas e, por vezes, surpreendentes, de procura de investigação que eu não alcançaria de outra forma. Não há dúvida de que, espera-se que aumente o conhecimento da mente dos potenciais leitores, depois de ler o livro usando esta abordagem.

Apliquei uma abordagem única para tornar o conteúdo deste livro sempre fresco. Esta abordagem depende de ouvir as mentes das pessoas, utilizando as ferramentas de escuta de pesquisa. Esta abordagem ajudou-me a:

Conheça os leitores exatamente onde estão, para que eu possa criar conteúdo relevante que atinge um acorde e impulsiona mais compreensão ao tema.

Mantenha o meu dedo firmemente no pulso, para que eu possa obter atualizações quando as pessoas falam sobre esta tecnologia emergente de novas maneiras, e monitorizar as tendências ao longo do tempo.

Descobrir tesouros ocultos de perguntas precisa de respostas sobre a tecnologia emergente para descobrir insights inesperados e nichos ocultos que impulsionam a relevância do conteúdo e lhe dão uma vantagem vencedora.

O bloco de construção para escrever este livro inclui o seguinte:

(1) Deixei de perder tempo com a intuição e a adivinhação sobre os conteúdos desejados pelos leitores, preenchi o conteúdo do livro com o que as pessoas precisam e despedi-me das intermináveis ideias de conteúdo baseadas em especulações.

(2) Tomei decisões sólidas e tomei menos riscos, para conseguir lugares na primeira fila para o que as pessoas querem ler e querem saber - em tempo real - e utilizar dados de pesquisa para tomar decisões ousadas, sobre quais os tópicos a incluir e quais os tópicos a excluir.

(3) Racionalizei a minha produção de conteúdos para identificar ideias de conteúdo sem ter de analisar manualmente as opiniões individuais para poupar dias e até semanas de tempo.

É maravilhoso ajudar as pessoas a aumentar os seus conhecimentos de uma forma simples, respondendo apenas às suas perguntas.

Penso que a abordagem da escrita deste livro é única à medida que se colide, e acompanha as questões importantes que os leitores fazem sobre os motores de busca.

Agradecimentos

Escrever um livro é mais difícil do que pensava e mais gratificante do que alguma vez poderia imaginar. Nada disto teria sido possível sem o trabalho concluído por investigadores de prestígio, e gostaria de reconhecer os seus esforços para aumentar o conhecimento do público sobre esta tecnologia emergente.

Dedicatória

Para os esclarecidos, aqueles que vêem as coisas de forma diferente, e querem que o mundo seja melhor. Podes discordar demasiado deles, e podes discutir ainda mais com eles, mas não podes ignorá-los, e não podes subestimá-los, porque mudam sempre as coisas... empurram a raça humana para a frente, e enquanto alguns podem vê-los como os loucos ou amadores, outros vêem génio e inovadores, porque aqueles que são iluminados o suficiente para pensar que podem mudar o mundo, são os que o fazem, e levam as pessoas à iluminação.

Epígrafe

Um rectenna que funciona com a luz visível ou infravermelha é referido como um rectenna ótico. A transformação das ondas eletromagnéticas em eletricidade de corrente direta é realizada usando um rectenna, que é um circuito que consiste tanto de uma antena como de um díodo. Um rectenna ótico funcionaria da mesma forma que um rectenna de rádio ou micro-ondas, mas converteria luz infravermelha ou visível em eletricidade em vez de ondas de rádio ou micro-ondas. Os rectennas estão em uso há muito tempo.

Tabela de Conteúdos

Direitos autorais

Bónus

Prefácio

Introdução

Agradecimentos

Dedicatória

Epígrafe

Tabela de Conteúdos

Capítulo 1: Rectenna ótica

Capítulo 2: Fotodiodo

Capítulo 3: Lacuna de banda

Capítulo 4: Rectenna

Capítulo 5: Semicondutor de banda larga

Capítulo 6: Fosforeto de inómia

Capítulo 7: Eficiência quântica

Capítulo 8: Fotodetector

Capítulo 9: Efeito fotovoltaico

Capítulo 7: Aquecimento distrital

Capítulo 11: Célula solar híbrida

Capítulo 12: Nanofotónica

Capítulo 13: Célula fotovoltaica de terceira geração

Capítulo 14: Nanotubos de carbono em fotovoltaicas

Capítulo 15: Célula solar orgânica

Capítulo 16: Painel de sanduíches

Capítulo 17: Rede neural física

Capítulo 18: Filme de condução transparente

Capítulo 19: Célula solar plasmónica

Capítulo 20: Investigação de células solares

Capítulo 21: Fotovoltaicas sem sol

Epílogo

Sobre o Autor

Brevemente

Apêndices: Tecnologias Emergentes em Cada Indústria

Capítulo 1: Rectenna ótica

Um rectenna (também conhecido como uma antena rectificante) que opera com luz visível ou infravermelha é referido como um rectenna ótico. A transformação das ondas eletromagnéticas em eletricidade de corrente direta é realizada usando um rectenna, que é um circuito que consiste tanto de uma antena como de um díodo. Os rectennas estão em uso há muito tempo para receber ondas de rádio ou micro-ondas; no entanto, um rectenna ótico funcionaria da mesma forma, mas com luz infravermelha ou visível, convertendo-a em eletricidade.

Apesar de as rectennas óticas serem conceptualmente comparáveis às rectennas regulares (rádio e micro-ondas), é uma tarefa muito mais difícil construir um rectenna ótico. Como a frequência da luz é tão alta - centenas de terahertz para a luz visível - existem apenas algumas variedades selecionadas de díodos especializados que podem girar rapidamente o suficiente para corrigi-la. Isto representa um obstáculo. Como as antenas normalmente têm um tamanho comparável a um comprimento de onda, a produção de uma antena ótica muito pequena requer o uso de uma técnica complexa de nanotecnologia. Este é ainda mais um obstáculo. O facto de uma antena ótica ser muitas vezes extremamente pequena significa que normalmente absorve relativamente pouca potência. Como resultado, tendem a criar uma pequena tensão no díodo, o que, por sua vez, leva à baixa não-linearidade do díodo e, consequentemente, à fraca eficiência. Isto apresenta uma terceira dificuldade. Devido a estes e outros obstáculos, os rectennas óticos só foram utilizados em demonstrações no laboratório até este ponto. Estas demonstrações de laboratório geralmente incluem a luz laser intensamente concentrada, que gera uma quantidade de energia insignificante, mas quantificável.

Apesar disso, existe o otimismo de que as matrizes de rectennas óticas possam um dia revelar-se um método eficaz de transformar a luz solar em energia elétrica, criando assim eletricidade solar a um ritmo superior ao das células solares tradicionais. Robert L. Bailey fez a primeira sugestão para o conceito em 1972. Neste momento, é incerto se alguma vez serão tão rentáveis ou eficientes como as células solares tradicionais.

É possível referir-se a um rectenna ótico quando se usa a palavra nantenna, que é curta para nano-antena, em alternativa, uma antena ótica por si só.

Atualmente, os Laboratórios Nacionais do Idaho conceberam uma antena ótica para absorver comprimentos de onda na gama de 3-15 μm.

(ver Figura 1).

Um conversor de energia de ondas eletromagnéticas desenvolvido por Robert Bailey e James C. Fletcher foi premiado com uma patente nos Estados Unidos em 1973 com o número de 3760257 dos EUA. O aparelho patenteado era comparável aos rectennas óticos utilizados nos dias de hoje. A patente descreve a aplicação de um díodo do tipo descrito por [Ali Javan] no Espectro IEEE, outubro de 1971, página 91, a saber, um bigode de gato metálico com um diâmetro de 100 nanómetros que está ligado a uma superfície metálica que tem uma fina camada de óxido que o cobre. Foi declarado que Javan conseguiu reverter 58 THz de radiação infravermelha. Em 1974, T. Em 1996, Guang H. Lin revelou a absorção da luz ressonante por uma nanoestrutura e retificação fabricadas de luz com frequências na gama visível. Gustafson e coautores provaram que este tipo de dispositivos poderia corrigir mesmo a luz visível à corrente de DC. Apesar disso, a investigação sobre o rectenna ótico ainda está a ser conduzida.

Estes dispositivos de rectenna de nanotubos de carbono sofrem de falta de estabilidade do ar, que é a desvantagem fundamental destes dispositivos. O cálcio foi usado como um elétrodo superior semitransparente na estrutura do dispositivo que foi inicialmente relatado pela Cola. Isto foi feito porque a função de baixo trabalho do cálcio (2,9 eV) em comparação com a função de trabalho dos MWCNTs (5 eV) cria a assimetria díodo necessária para a retificação ótica. No entanto, o cálcio metálico é muito volátil quando exposto ao ar e oxida num curto espaço de tempo. Para evitar o mau funcionamento do instrumento de medição, as medições tiveram de ser efetuadas no interior de um porta-luvas numa atmosfera estéril. Devido ao seu uso restrito no mundo real, os aparelhos.

Mais tarde, Cola e os seus colegas ultrapassaram as dificuldades causadas pela instabilidade do dispositivo, alterando a construção do díodo para incluir muitas camadas de óxido. Em 2018, anunciaram o desenvolvimento do primeiro rectenna ótica estável do ar, bem como avanços na eficiência.

Esta nova geração de rectenna foi capaz de realizar a sua estabilidade atmosférica porque a alguma personalização feita à barreira quântica de túneis do díodo.

Em vez de dependerem de um único isolante dielétrico, demonstraram que o aumento do número de camadas de óxido com composições variadas pode melhorar o desempenho do díodo alterando a barreira dos túneis do díodo.

Através da utilização de óxidos com afinidades variadas de eletrões, independentemente da diferença na função de trabalho entre os dois elétrodos, o túnel de eletrões pode ser feito para criar uma resposta assimétrica do díodo se as condições estiverem corretas.

Utilizando camadas de Al2O3 e HfO2, a resposta assimétrica de um díodo foi reforçada mais de dez vezes com a construção de um díodo de duplo isolante conhecido como díodo metal-isolante-metal (MIIM). Isto foi conseguido sem a necessidade de uma função de baixo trabalho. cálcio, prata, que não é afetado pelo ar, eventualmente tomou a sua posição como o metal primário.

No futuro, serão feitas tentativas para aumentar a eficiência do dispositivo, analisando novos materiais, modificando os MWCNTs e as camadas isolantes para estimular a condução na interface e menor resistência dentro da estrutura.

A teoria de que por trás de rectennas óticas é, para todos os efeitos, equivalente à que sustenta os rectennas convencionais (rádio ou micro-ondas). Quando a luz atinge a antena, desencadeia uma reação em cadeia que faz com que os eletrões dentro da antena fluam para trás e para a frente na mesma frequência que a luz. Isto porque a onda eletromagnética que entra tem um campo elétrico flutuante que está a causar este efeito. No circuito que compõe a antena, o fluxo de eletrões produz uma corrente alternada (AC). A corrente alternada (AC) tem de ser retificada antes de poder ser alterada para corrente direta (DC), e isso é geralmente feito usando um díodo. Depois disso, a corrente de DC que foi produzida pode ser utilizada para fornecer energia a uma carga externa. De acordo com a teoria básica da antena de micro-ondas, a frequência ressonante das antenas (a frequência que resulta em menor impedância e, portanto, maior eficiência) escala linearmente com o tamanho físico da antena. Esta é a frequência que resulta na maior eficiência. Por isso, uma antena rectificante tem de estar na ordem de centenas de nm de tamanho para ser um colecionador eletromagnético eficiente no espectro solar.

Ao considerar as rectennas óticas, há uma série de complexidades que surgem como resultado das simplificações que são utilizadas na teoria convencional da antena rectificante. Como praticamente toda a corrente é transportada perto da superfície do fio em frequências que excedam os infravermelhos, a área transversal eficaz do fio é reduzida, o que resulta num aumento da resistência do fio. O termo efeito de pele também foi usado para se referir a este fenómeno. Mesmo que a lei de Ohm, na sua versão vetorial generalizada, ainda seja válida, as características I-V podem dar a impressão de que já não são ohmic. Isto apesar de a lei de Ohm ainda ser aplicável.

Os díodos que são usados em rectennas de maior escala são incapazes de funcionar em frequências THz sem sofrer uma perda significativa de energia, que é outra dificuldade que surge quando escala.

A grande eficiência potencial das rectennas óticas é frequentemente citada como um dos pontos de venda mais convincentes dos dispositivos.

Quando comparado com a eficiência das células solares de junção única de uma perspetiva teórica (30 por cento), parece que os rectennas óticas têm uma grande vantagem nesta situação.

No entanto, ambas as eficiências são determinadas com base numa variedade de diferentes presunções.

Os cálculos para o rectenna baseiam-se na utilização da eficiência carno dos coletores solares, o que leva a que sejam feitas várias suposições.

A eficácia do ciclo Carnot, η, é dada por

{\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{\text{cold}}}{T_{\text{hot}}}}}

onde Tfrio é a temperatura do corpo mais frio e Tquente é a temperatura do corpo mais quente.

A energia deve ser convertida de uma forma eficaz e eficiente, é necessário que haja uma grande disparidade de temperatura entre os dois corpos.

R.

L.

Bailey alega que os rectennas não são limitados pela eficiência carnot, fotovoltaicos, por outro lado, são.

No entanto, esta afirmação não é apoiada por qualquer prova que ele forneça.

Além disso, Quando os mesmos pressupostos que foram usados para obter a eficiência teórica de 85 por cento para rectennas são aplicados a células solares de junção única, os resultados são significativamente diferentes, a eficiência das células solares de junção única também é melhor do que 85 por cento do ponto de vista teórico.

O facto de as matrizes de rectennas óticas poderem ser construídas para absorver qualquer frequência de luz é talvez o benefício mais óbvio que os rectennas óticos oferecem sobre fotovoltaicas semicondutores. Ao ajustar o comprimento de uma antena ótica, é-se capaz de sintonizar a frequência de ressonância do dispositivo. Este é um benefício sobre os fotovoltaicos semicondutores, que precisam de lacunas de banda distintas para absorver a luz de diferentes comprimentos de onda, e esta vantagem permite uma absorção de luz mais eficiente. Ou o semicondutor deve ser associado ou deve ser utilizado um material semicondutor inteiramente diferente para alcançar a gama desejada de lacunas de banda.

Como já foi referido anteriormente, uma das desvantagens mais significativas dos rectennas óticas é a frequência relativamente baixa com que podem funcionar. A utilização prática de díodos schottky comuns é inviabilizada devido à alta frequência de luz que ocorre dentro da gama adequada de comprimentos de onda. Embora os díodos MIM tenham certas características desejáveis para o uso em rectennas