미국에서 생산되는 에너지 중 절반 이상은 사용하지 못하고 폐열(Waste Heat)로 사라지는 것으로 나타났다. 이에 콜로라도 대학(University of Colorado) 연구진은 폐열의 일부를 효율적으로 포획할 수 있는 새로운 시스템을 개발하고 있다. 이들은 고주파 열복사 대비 공기 중에서 직접 수확하여 유용한 DC 전기로 변환하는 과정이 훨씬 수월한 저주파 열복사(Low Frequency Thermal Radiation)를 개선할 수 있는 표면을 설계하였다.
연구진은 캘리포니아 주에서 개최된 AVS 62nd International Symposium and Exhibition에서 이번 연구 결과에 대해 설명하였다. 콜로라도 대학의 전기엔지니어인 Won Park은 가정이나 사업장에 전기를 공급하는 교류와 유사하게 폐에너지로부터 가열된 물체는 전자기적 진동을 내보내며, 차이점은 진동의 빈도라고 설명하였다. 북미 지역의 전기 소켓에서 공급되는 전기는 1초에 60번의 진동이 발생하는데 뜨거운 물체에서 생기는 대부분의 열복사는 초당 수십 조 번의 진동이 발생한다.
컴퓨터와 같은 장치를 전기 소켓에 연결할 때 컴퓨터의 전력공급장치의 전기회로망은 교류를 직류로 변환하여 장치가 가동할 수 있게 한다. AC를 DC로 변환하는 작업은 정류기라고 불리는 전기부품에 의해 이루어진다. 이와 유사하게 공기 중의 전자기적 진동은 정류안테나(Rectenna)라고 불리는 장치에 의해 변환이 가능하다. 이 장치는 직류를 출력하는 정류기의 기능과 전자기파를 받는 안테나의 기능을 결합하였다.
현재 정류안테나는 저주파에서 가장 우수한 성능으로 작동되도록 설계되었다. 그러나 뜨거운 물체로부터의 폐열의 주파수는 100THz의 범위이다. Park과 연구진은 물체의 표면을 조작하여 약 1THz에서 뜨거운 물체의 열배출을 개선하는 방안을 발굴하였다. Park의 연구진은 소프트웨어를 사용하여 나노규모의 표면 기상학이 어떻게 표면과 전자기적 복사가 반응하는 방식에 영향을 주는가를 분석하였다. 일부 경우 기하학은 플라즈몬이라고 불리는 전기전하의 집단적 진동을 형성하는데 도움을 주는 것으로 나타났다.
Park은 “연구진은 표면파를 지원하는 표면을 설계하였다. 왜냐하면 파장이 존재하게 되면 열배출을 공학적으로 조작하는데 있어 새로운 방안을 제공하기 때문”이고 말했다. 연구진은 열에너지 수확을 최적화하기 위해 1THz의 주파수에서 보다 많은 복사에너지를 내보내는 표면을 조절할 수 있다는 것을 발견하였다.
연구진은 먼저 동판에 작은 구멍이 일정하게 배열되어 있도록 설계하였으며 시물레이션을 이용하여 최적화하였다. 그리고 실험실 규모에서 이 설계를 구체화하였고 동판이 시물레이션에서 예상했던 표면파의 종류를 생산한다는 것을 확인하였다. 또한 연구진은 컴퓨터 모델링을 통해 개선된 열배출을 효율적으로 포획할 수 있는 안테나를 설계하였다. 시물레이션은 동판 표면의 구멍 인근에 위치한 안테나가 개방된 공간의 안테나 대비 10,000~100,000배 이상의 열에너지를 포획할 수 있다는 결과를 보여주었다. 이러한 예측을 확인하기 위해 실험 테스트를 진행하고 있으며, 새로운 결과를 확보할 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 정류안테나와 같은 열에너지 수확이 폐열을 수확하는 다른 방안과 얼마나 비교되는지를 계산하는데 도움을 줄 것이다.
Turning up the heat: Holey metamaterials enhance thermal energy harvesting
It's estimated that the U.S. fails to use more than half of the energy it generates -- mostly because it escapes as waste heat. Scientists from the University of Colorado are developing a new type of system to efficiently capture some of that lost heat. They have designed a surface that enhances low frequency thermal radiation, which is easier than higher frequencies to "harvest" directly out of the air and turn into usable DC electricity.
The researchers will describe the surface at the AVS 62nd International Symposium and Exhibition, held Oct. 18-23 in San Jose, Calif.
Objects that heat up from wasted energy emit electromagnetic oscillations, similar to the alternating current (AC) that powers homes and businesses, said Won Park, an electrical engineer at the University of Colorado Boulder. The difference is the frequency of the oscillation -- the electricity from a wall socket in North America oscillates 60 times a second, compared to the tens of trillions of oscillations per second for most thermal radiation from hot objects.
When you plug a device like a computer into the wall, electronic circuitry in the computer's power supply converts the AC oscillations into direct current (DC) that the device can use. The AC to DC conversion is done by an electronic component called a rectifier. Similarly, electromagnetic oscillations in the air can be turned into DC current by a device called a rectenna, which combines an antenna's function of receiving electromagnetic waves with a rectifier's function of outputting direct current.
Current rectenna designs work best at lower frequencies. Yet waste heat from hot objects can push into the 100 THz (100 trillion cycles per second) range. Park and his colleagues found a way to enhance thermal emission of hot bodies at the lower end of the spectrum (around 1 THz) by manipulating the surface of the object.
Park's team uses software to analyze how the nanoscale topology of a surface -- its bumps, holes or grooves -- changes the way that electromagnetic radiation interacts with the surface. In some instances the geometry supports the formation of a wave of rippling electronic charges, called a plasmon, that hugs the surface.
"We design the surface to support a surface wave, because the presence of the wave offers a new avenue for engineering thermal emission," Park said. For the case of optimizing thermal energy harvesting, the researchers found they could "spectrally tune" a surface to emit more radiation at 1 THz frequency.
The researchers first optimized the design, which consists of a copper plate with a regular array of tiny holes, using simulations. They then built the design in the lab and confirmed that the plate did indeed produce the type of surface waves predicted by the simulations.
The researchers also used computer modeling to design a bowtie-shaped antenna that would effectively capture the enhanced thermal emission. Simulations predict that an antenna placed near the holey surface could capture 10,000 to 100,000 times more thermal energy than an antenna in open space. The team is in the process of experimentally testing this prediction and hopes to have new results to report soon. The results will also help the team calculate how rectenna thermal energy harvesting might compare to other ways of harvesting waste heat, such as thermoelectric materials.
Park's presentation is one of many at the AVS meeting about the technology of rectennas. Park notes that other teams will discuss approaches to improving the performance of rectennas at higher frequencies, as well as ways to optimize large arrays of rectennas.
Presentation EM+AS+SS-MoM6, "Metamaterial Enhanced Rectenna for Efficient Energy Harvesting," is at 10:00 a.m. on Monday, Oct. 19. The research described in this story is funded in part by a grant from Redwave Energy Inc.
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