Jak wykorzystać energię słoneczną poprzez ciepło i światło?

Nowe podejście do pozyskiwania energii słonecznej, opracowane przez naukowców z MIT, może poprawić wydajność poprzez wykorzystanie światła słonecznego do ogrzewania materiału o wysokiej temperaturze, którego promieniowanie podczerwone byłoby następnie gromadzone przez konwencjonalne ogniwo fotowoltaiczne. Ta technika może również ułatwić przechowywanie energii do późniejszego wykorzystania - twierdzą naukowcy.

Nanofotonowe słoneczne urządzenie termofotowoltaiczne składające się z szeregu wielościennych nanorurek węglowych jako absorbera, jednowymiarowego kryształu fotonicznego krzemu/dwutlenku krzemu jako emitera oraz ogniwa fotowoltaicznego 0,55 eV. Zdjęcie dzięki uprzejmości Johna Freidah.

W tym przypadku dodanie dodatkowego stopnia poprawia wydajność, ponieważ umożliwia wykorzystanie długości fal światła, które zwykle się marnują. Proces został opisany w artykule opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Natura Nanotechnologia , napisany przez doktoranta Andreja Lenerta, profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej Evelyn Wang, profesora fizyki Marin Soljačić, głównego naukowca Ivana Celanovića i trzech innych.

Konwencjonalne ogniwo słoneczne na bazie krzemu nie wykorzystuje wszystkich fotonów, wyjaśnia Wang. Dzieje się tak, ponieważ przekształcanie energii fotonu w energię elektryczną wymaga, aby poziom energii fotonu odpowiadał charakterystyce materiału fotowoltaicznego (PV) zwanego przerwą wzbronioną. Pasmo wzbronione krzemu reaguje na wiele długości fal światła, ale pomija wiele innych.

Aby rozwiązać to ograniczenie, zespół umieścił dwuwarstwowe urządzenie absorber-emiter — wykonane z nowatorskich materiałów, w tym nanorurek węglowych i kryształów fotonicznych — między światło słoneczne a ogniwo fotowoltaiczne. Ten materiał pośredni zbiera energię z szerokiego spektrum światła słonecznego, nagrzewając się w tym procesie. Kiedy się nagrzewa, jak rozżarzony na czerwono kawałek żelaza, emituje światło o określonej długości fali, która w tym przypadku jest dostrojona do pasma zabronionego zamontowanego w pobliżu ogniwa fotowoltaicznego.

Ta podstawowa koncepcja była badana od kilku lat, ponieważ teoretycznie takie słoneczne systemy termofotowoltaiczne (STPV) mogą stanowić sposób na obejście teoretycznego ograniczenia wydajności konwersji energii przez półprzewodnikowe urządzenia fotowoltaiczne. Limit ten, zwany limitem Shockleya-Queissera, nakłada limit 33,7 procent na taką wydajność, ale Wang mówi, że w przypadku systemów TPV wydajność byłaby znacznie wyższa — idealnie mogłaby wynosić ponad 80 procent.

Istnieje wiele praktycznych przeszkód w realizacji tego potencjału; poprzednie eksperymenty nie były w stanie wyprodukować urządzenia STPV o wydajności większej niż 1 procent. Ale Lenert, Wang i ich zespół wyprodukowali już wstępne urządzenie testowe o zmierzonej wydajności 3,2 procent i twierdzą, że przy dalszej pracy spodziewają się, że będą w stanie osiągnąć 20 procent wydajności — wystarczającej, jak mówią, dla komercyjnego produktu. .

Kluczem do tego ulepszenia jest konstrukcja dwuwarstwowego materiału absorbera-emitera. Jego zewnętrzna warstwa, skierowana w stronę światła słonecznego, to szereg wielościennych nanorurek węglowych, które bardzo skutecznie pochłaniają energię światła i zamieniają je w ciepło. Warstwa ta jest ściśle związana z warstwą kryształu fotonicznego, który jest precyzyjnie zaprojektowany tak, że po nagrzaniu przez dołączoną warstwę nanorurek świeci światłem, którego szczytowa intensywność znajduje się głównie powyżej pasma zabronionego sąsiedniego PV, zapewniając, że większość energia zebrana przez absorber jest następnie zamieniana na energię elektryczną.

W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali symulowane światło słoneczne i odkryli, że jego szczytowa wydajność pojawiła się, gdy jego intensywność była równoważna systemowi ogniskowania, który skupia światło słoneczne o współczynnik 750. To światło podgrzewało emiter-absorber do temperatury 962 stopni Celsjusza.

Ten poziom koncentracji jest już znacznie niższy niż we wcześniejszych próbach systemów STPV, które koncentrowały kilkutysięczne światło słoneczne. Jednak naukowcy z MIT twierdzą, że po dalszej optymalizacji powinno być możliwe uzyskanie tego samego rodzaju ulepszeń przy jeszcze niższych stężeniach światła słonecznego, co ułatwi obsługę systemów.

Zespół twierdzi, że taki system łączy zalety słonecznych systemów fotowoltaicznych, które zamieniają światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną, oraz słonecznych systemów cieplnych, które mogą mieć przewagę w przypadku opóźnionego wykorzystania, ponieważ ciepło można łatwiej magazynować niż energię elektryczną. Jak twierdzą, nowe słoneczne systemy termofotowoltaiczne mogą zapewnić wydajność ze względu na ich szerokopasmową absorpcję światła słonecznego; skalowalność i zwartość, ponieważ opierają się na istniejącej technologii produkcji chipów; i łatwość magazynowania energii ze względu na ich zależność od ciepła.

Niektóre sposoby dalszego ulepszania systemu są dość proste. Ponieważ pośredni etap systemu, absorber-emiter, opiera się na wysokich temperaturach, jego wielkość ma kluczowe znaczenie: im większy obiekt, tym mniejszą ma powierzchnię w stosunku do swojej objętości, więc straty ciepła gwałtownie spadają wraz ze wzrostem wielkości. Wstępne testy przeprowadzono na 1-centymetrowym chipie, ale dalsze testy zostaną wykonane na 10-centymetrowym chipie.

Zhuomin Zhang, profesor inżynierii mechanicznej w Georgia Institute of Technology, który nie był zaangażowany w te badania, mówi: Ta praca jest przełomem w słonecznej termofotowoltaice, która w zasadzie może osiągnąć wyższą wydajność niż konwencjonalne ogniwa słoneczne, ponieważ STPV może wykorzystać całe spektrum słoneczne. … To osiągnięcie otwiera drogę do szybkiego zwiększenia wydajności STPV.

W skład zespołu badawczego weszli również absolwenci MIT David Bierman i Walker Chan, były podoktor Youngsuk Nam oraz naukowiec Ivan Celanović. Prace zostały sfinansowane przez Departament Energii USA za pośrednictwem Centrum Konwersji Energii Cieplnej Słonecznej Energii Cieplnej (S3TEC) MIT, a także Martin Family Society, MIT Energy Initiative oraz National Science Foundation.

ukryć