211service.com
Nowy sposób na wykorzystanie energii słonecznej
Nowy typ urządzenia, który wykorzystuje zarówno ciepło, jak i światło słoneczne, powinien być bardziej wydajny niż konwencjonalne ogniwa słoneczne, które zamieniają tylko światło na energię elektryczną.
Jasne ciepło: Nicholas Melosh opracował urządzenie do jednoczesnego przekształcania światła słonecznego i ciepła w energię elektryczną. Melosh produkuje i testuje urządzenie w tej komorze próżniowej w swoim laboratorium na Uniwersytecie Stanforda.
Urządzenie opiera się na zasadzie fizycznej odkrytej i zademonstrowanej przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda. W ich prototypie energia światła słonecznego wzbudza elektrony w elektrodzie, a ciepło słoneczne skłania wzbudzone elektrony do przeskakiwania przez próżnię do innej elektrody, generując prąd elektryczny. Urządzenie można zaprojektować tak, aby przesyłało ciepło odpadowe do silnika parowego i przekształcało 50 procent energii słonecznej w energię elektryczną, co stanowi ogromną poprawę w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami słonecznymi.
Najpopularniejsze krzemowe ogniwa słoneczne przekształcają około 15 procent energii słonecznej w energię elektryczną. Ponad połowa przychodzącej energii słonecznej jest tracona w postaci ciepła. Dzieje się tak, ponieważ aktywne materiały w ogniwach słonecznych mogą wchodzić w interakcje tylko z określonym pasmem widma słonecznego; fotony poniżej pewnego poziomu energii po prostu nagrzewają komórkę.
Jednym ze sposobów na przezwyciężenie tego jest układanie aktywnych materiałów jeden na drugim w ogniwie wielozłączowym, które może wykorzystywać szersze spektrum światła, zamieniając więcej z niego w prąd elektryczny zamiast w ciepło, w celu uzyskania wydajności do około 40 procent. Ale takie ogniwa są skomplikowane i drogie w produkcji.
Szukasz lepszego sposobu na wykorzystanie ciepła słonecznego, Stanford Mikołaj Melosz został zainspirowany wysokowydajnymi układami kogeneracyjnymi, które wykorzystują rozprężanie palącego się gazu do napędzania turbiny, a ciepło ze spalania do napędzania silnika parowego. Ale konwertery energii cieplnej nie współpracują dobrze z konwencjonalnymi urządzeniami słonecznymi. Im jest cieplej, tym wydajniejsza staje się konwersja energii cieplnej. Natomiast ogniwa słoneczne stają się mniej wydajne, gdy się nagrzewają. W temperaturze około 100°C ogniwo krzemowe nie działa dobrze; powyżej 200 °C w ogóle nie zadziała.
Przełom nastąpił, gdy naukowcy ze Stanford zdali sobie sprawę, że światło w promieniowaniu słonecznym może zwiększyć konwersję energii w innym typie urządzenia, zwanym konwerterem energii termoelektrycznej, który konwencjonalnie jest napędzany wyłącznie ciepłem. Przetworniki termoelektryczne składają się z dwóch elektrod oddzielonych niewielką przestrzenią. Gdy elektroda dodatnia lub katoda jest podgrzewana, elektrony w katodzie są wzbudzane i przeskakują do elektrody ujemnej lub anody, kierując prąd przez obwód zewnętrzny. Urządzenia te były używane do zasilania rosyjskich satelitów, ale nie znalazły żadnych zastosowań na ziemi, ponieważ muszą być bardzo gorące, około 1500 °C, aby działały wydajnie. Katoda w tych urządzeniach jest zwykle wykonana z metali, takich jak cez.
Grupa Melosha zastąpiła katodę cezową płytką z materiału półprzewodnikowego, który może wykorzystywać nie tylko ciepło, ale także światło. Kiedy światło uderza w katodę, przekazuje swoją energię elektronom w materiale w sposób podobny do tego, co dzieje się w ogniwie słonecznym. Ten rodzaj przenoszenia energii nie występuje w metalach używanych do produkcji tych katod w przeszłości, ale jest typowy dla materiałów półprzewodnikowych. Te wstępnie wzbudzone elektrony nie potrzebują tyle ciepła, aby przeskoczyć do anody, więc to nowe urządzenie może działać w niższych temperaturach niż konwencjonalne konwertery termoelektryczne, ale w wyższych temperaturach niż ogniwo słoneczne.
Naukowcy ze Stanford nazywają ten nowy mechanizm PETE, dla wzmocnionej fotonowo emisji termoelektrycznej. Światło pomaga podnieść poziom energii elektronów, aby mogły płynąć, mówi Gang Chen , profesor elektroenergetyki na MIT. Do praktycznego urządzenia jeszcze długa droga, ale ta praca pokazuje, że jest to możliwe – mówi.
Prototyp grupy Stanford, opisany w tym miesiącu w czasopiśmie Materiały przyrodnicze , wykorzystuje azotek galu jako półprzewodnik. W temperaturze 200 °C przekształca on tylko około 25 procent energii światła w energię elektryczną, a wydajność rośnie wraz z temperaturą. Stuart Licht, profesor chemii na Uniwersytecie George'a Washingtona, mówi, że proces ten miałby przewagę nad ogniwami słonecznymi, ponieważ oprócz światła wykorzystuje ciepło. Ale ostrzega: będą potrzebne dodatkowe prace, aby przełożyć to na praktyczne, wydajniejsze urządzenie.
Grupa ze Stanford właśnie nad tym pracuje. Naukowcy testują urządzenia wykonane z materiałów lepiej przystosowanych do konwersji energii słonecznej, w tym arsenku krzemu i galu. Opracowują również sposoby obróbki tych materiałów, aby urządzenie działało wydajniej w zakresie temperatur od 400 °C do 600 °C; Koncentratory słoneczne byłyby wykorzystywane do generowania tak wysokich temperatur ze światła słonecznego.
Nawet w wysokich temperaturach wzmocniony fotonowo konwerter termionowy będzie generował więcej ciepła, niż może zużyć; Melosh mówi, że to ciepło można połączyć z silnikiem parowym, aby uzyskać wydajność konwersji energii słonecznej na energię elektryczną przekraczającą 50 procent. Systemy te są prawdopodobnie zbyt skomplikowane i drogie w przypadku niewielkich instalacji dachowych. Ale mogą być ekonomiczne w przypadku dużych instalacji wykorzystujących farmy słoneczne, mówi Melosh, profesor materiałoznawstwa i inżynierii. Ma nadzieję, że urządzenie będzie gotowe do komercyjnego rozwoju za trzy lata.