211service.com
Lepsza fotowoltaika termiczna
Nowe podejście do przekształcania ciepła w energię elektryczną za pomocą ogniw słonecznych może uczynić technologię zwaną fotowoltaiką termiczną (TPV) bardziej praktyczną. MTPV , startup z Bostonu, który zebrał 10 milionów dolarów, twierdzi, że opracował prototypy, które są wystarczająco duże do praktycznych zastosowań. Firma niedawno ogłosiła umowy na instalację urządzeń w hutach szkła do wytwarzania energii elektrycznej z gorących spalin.
Gorące miejsce: Mikroskopijny element dystansowy używany do podtrzymywania ogniw słonecznych mniej niż mikrometr nad innym materiałem w termicznym urządzeniu fotowoltaicznym.
Ogólnie rzecz biorąc, fotowoltaika termiczna wykorzystuje ogniwa słoneczne do przekształcania światła promieniującego z gorącej powierzchni w energię elektryczną. Podczas gdy pierwsze zastosowania będą generować energię elektryczną z ciepła odpadowego, ostatecznie technologia ta może zostać wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej ze światła słonecznego znacznie wydajniej niż panele słoneczne. W takim systemie światło słoneczne koncentruje się na materiale, aby go ogrzać, a emitowane przez nie światło jest następnie przekształcane w energię elektryczną przez ogniwo słoneczne.
Jak dotąd technologia ta była niepraktyczna dla zastosowań komercyjnych, częściowo ze względu na wymagane wysokie temperatury, a częściowo ze względu na konkurencję ze strony istniejących technologii, takich jak turbiny parowe, do przetwarzania ciepła w energię elektryczną. Innowacją MTPV jest metoda 10-krotnego zwiększenia przepływu fotonów z podgrzewanego materiału do panelu słonecznego w porównaniu z typowymi termicznymi systemami fotowoltaicznymi, co może sprawić, że jej systemy będą mniejsze, tańsze i praktyczne w niższych temperaturach – mówi Robert DiMatteo, MTPV. CEO.
Konwencjonalny panel słoneczny pochłania światło z całego spektrum, ale skutecznie konwertuje tylko niektóre kolory. Znaczna część energii w innych długościach fal światła marnuje się. W rezultacie maksymalna teoretyczna wydajność konwencjonalnego ogniwa słonecznego wynosi 30 procent lub 41 procent, jeśli światło słoneczne jest najpierw skoncentrowane za pomocą lustra lub soczewki. W termicznym systemie fotowoltaicznym światło skupia się na materiale, aby go ogrzać. Materiał jest tak dobrany, że gdy się rozgrzeje, emituje światło o długościach fal, które ogniwo słoneczne może efektywnie przetwarzać. W rezultacie teoretyczna maksymalna wydajność termicznego systemu fotowoltaicznego wynosi 85 procent.
W praktyce wyzwania inżynieryjne utrudnią to osiągnięcie, ale DiMatteo twierdzi, że modele komputerowe firmy sugerują, że wydajność powyżej 50 procent powinna być możliwa. Prototypy nie są tak wydajne: przetwarzają około 10 do 15 procent ciepła, które pochłaniają ze spalin z fabryki szkła, na energię elektryczną, co według DiMatteo wystarcza, aby urządzenia były ekonomiczne. (Oczekiwana sprawność urządzeń TPV jest również znacznie wyższa niż oczekiwana sprawność urządzeń termoelektrycznych, które bezpośrednio zamieniają ciepło w energię elektryczną.)
Kluczową różnicą między technologią MTPV a innymi fotowoltaiką termiczną jest umiejscowienie ogniwa słonecznego i podgrzewanego materiału (MTPV oznacza mikronowe TPV). W swojej pracy, najpierw jako student na MIT, a później jako badacz w Draper Laboratories w Cambridge, MA, DiMatteo odkrył, że umieszczenie nagrzanego materiału bardzo blisko ogniwa słonecznego pozwoliło znacznie większej liczbie fotonów uciec z danego obszaru materiału i wchłonięty przez ogniwo słoneczne.
W konwencjonalnym systemie TPV większość fotonów generowanych w nagrzanym materiale jest odbijana z powrotem do materiału, gdy dotrą do jego powierzchni; to to samo zjawisko, które zatrzymuje światło w kablach światłowodowych. Kiedy ogniwo słoneczne i podgrzany materiał są blisko siebie, tak że odstęp między nimi jest krótszy niż długość fali emitowanego światła, powierzchnia nie odbija już światła. Fotony wędrują z jednego materiału do drugiego, jakby nie było między nimi przerwy. Bliskie odstępy pozwalają również elektronom po jednej stronie szczeliny przenosić energię na elektrony po drugiej stronie. (Próżnia między nagrzanym materiałem a ogniwem słonecznym utrzymuje różnicę temperatur między nimi, która jest wymagana do osiągnięcia wysokiej wydajności.) Ponieważ nagrzany materiał emituje więcej fotonów, ogniwo słoneczne może generować 10 razy więcej energii elektrycznej dla danego obszaru, w porównaniu z ogniwem słonecznym w konwencjonalnym TPV.
Dzięki temu możliwe jest zużycie jednej dziesiątej ilości materiału na ogniwa słoneczne, co znacznie obniża koszty. Alternatywnie umożliwia generowanie większej mocy w niższych temperaturach, co Piotra Peumansa , profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Stanforda, mówi, że jest to jedna z kluczowych zalet tego podejścia. Konwencjonalna fotowoltaika termiczna może wymagać temperatury 1500 °C, mówi. Pierwsze prototypy MTPV działają dobrze w temperaturach poniżej 1000 °C, a DiMatteo twierdzi, że teoretycznie technologia ta mogłaby ekonomicznie generować energię elektryczną w temperaturach tak niskich, jak 100 °C. Ten duży zakres temperatur może sprawić, że technologia będzie atrakcyjna do wytwarzania energii elektrycznej z ciepła z różnych źródeł, w tym spalin samochodowych, które w przeciwnym razie zostałyby zmarnowane.
Ale Peumans mówi, że technologia ma kompromis: ponieważ podgrzewany materiał i ogniwo słoneczne są umieszczone tak blisko siebie, nie można umieścić między nimi filtra, aby pomóc dostroić długości fal światła docierającego do ogniwa słonecznego. Może to ograniczyć ostateczną wydajność, jaką system może osiągnąć.
DiMatteo po raz pierwszy opublikował prace nad koncepcją MTPV pod koniec lat 90., ale do tej pory zajęło się projektowanie prototypów wystarczająco dużych, aby były praktyczne. Jednym z głównych wyzwań było znalezienie sposobów na stworzenie szczeliny, która ma średnicę zaledwie jednej dziesiątej mikrometra, a mimo to można ją utrzymać na stosunkowo dużych obszarach potrzebnych do praktycznego urządzenia. DiMatteo twierdzi, że firma poprawi wydajność urządzeń poprzez stałe zmniejszanie luki, co według modeli komputerów poprawi wydajność.