Jauns veids, kā izmantot Saules enerģiju

Jauna veida ierīcei, kas izmanto gan saules siltumu, gan gaismu, vajadzētu būt efektīvākai nekā parastajām saules baterijām, kas pārvērš tikai gaismu elektrībā.

Spilgts karstums: Nikolass Melošs ir izstrādājis ierīci, kas vienlaikus pārvērš saules gaismu un siltumu elektroenerģijā. Melošs izgatavo un testē ierīci šajā vakuuma kamerā savā laboratorijā Stenfordas universitātē.

Ierīce balstās uz fizisko principu, ko atklājuši un demonstrējuši Stenfordas universitātes pētnieki. Viņu prototipā saules gaismas enerģija ierosina elektronus elektrodā, un saules siltums pierunā ierosinātos elektronus, lai tie pārietu pāri vakuumam citā elektrodā, radot elektrisko strāvu. Ierīci varētu izstrādāt tā, lai siltuma pārpalikums tiktu nosūtīts uz tvaika dzinēju un pārvērstu 50 procentus no saules gaismas enerģijas elektrībā – tas ir milzīgs uzlabojums salīdzinājumā ar parastajām saules baterijām.

Visizplatītākās silīcija saules baterijas aptuveni 15 procentus no saules gaismas enerģijas pārvērš elektrībā. Vairāk nekā puse no ienākošās saules enerģijas tiek zaudēta kā siltums. Tas ir tāpēc, ka aktīvie materiāli saules baterijās var mijiedarboties tikai ar noteiktu saules spektra joslu; fotoni zem noteikta enerģijas līmeņa vienkārši uzsilda šūnu.

Viens no veidiem, kā to pārvarēt, ir aktīvos materiālus sakraut vienu virs otra daudzsavienojumu šūnā, kas var izmantot plašāku gaismas spektru, vairāk no tā pārvēršot elektriskajā strāvā, nevis siltumā, nodrošinot efektivitāti līdz aptuveni 40 procentiem. Bet šādas šūnas ir sarežģītas un dārgas.

Meklē labāku veidu, kā izmantot saules siltumu, Stenforda Nikolass Melošs tika iedvesmots no ļoti efektīvām koģenerācijas sistēmām, kas izmanto degošās gāzes izplešanos, lai darbinātu turbīnu, un siltumu no sadegšanas, lai darbinātu tvaika dzinēju. Taču siltumenerģijas pārveidotāji nav labi savienoti ar parastajām saules ierīcēm. Jo karstāks ir, jo efektīvāka kļūst siltumenerģijas pārveide. Turpretim saules baterijas kļūst mazāk efektīvas, kad tās uzsilst. Aptuveni 100 °C temperatūrā silīcija šūna nedarbosies labi; virs 200 °C, tas vispār nedarbosies.

Izrāviens notika, kad Stenfordas pētnieki saprata, ka saules starojuma gaisma var uzlabot enerģijas pārveidi cita veida ierīcē, ko sauc par termisko enerģijas pārveidotāju, ko parasti darbina tikai siltums. Termioniskie pārveidotāji sastāv no diviem elektrodiem, kas atdalīti ar nelielu atstarpi. Kad pozitīvais elektrods jeb katods tiek uzkarsēts, elektroni katodā uzbudinās un pāriet uz negatīvo elektrodu jeb anodu, virzot strāvu caur ārējo ķēdi. Šīs ierīces ir izmantotas Krievijas satelītu darbināšanai, taču tās nav atradušas nevienu pielietojumu uz zemes, jo tām ir ļoti jāsakarst, aptuveni 1500 °C, lai tās darbotos efektīvi. Katods šajās ierīcēs parasti ir izgatavots no metāliem, piemēram, cēzija.

Meloša grupa cēzija katodu aizstāja ar pusvadītāja materiāla plāksni, kas var izmantot ne tikai siltumu, bet arī gaismu. Kad gaisma ietriecas katodā, tā nodod savu enerģiju materiālā esošajiem elektroniem tādā veidā, kas ir līdzīgs tam, kas notiek saules baterijā. Šāda veida enerģijas pārnešana nenotiek metālos, ko agrāk izmantoja šo katodu izgatavošanai, bet tas ir tipisks pusvadītāju materiāliem. Nav nepieciešams tik daudz siltuma, lai šie iepriekš ierosinātie elektroni pārietu uz anodu, tāpēc šī jaunā ierīce var darboties zemākā temperatūrā nekā parastie termopārveidotāji, bet augstākā temperatūrā nekā saules baterija.

Stenfordas pētnieki šo jauno mehānismu sauc par PETE, lai nodrošinātu ar fotonu pastiprinātu termisko emisiju. Gaisma palīdz pacelt elektronu enerģijas līmeni, lai tie plūstu, saka Gang Chen , MIT enerģētikas profesors. Tas ir tāls ceļš līdz praktiskai ierīcei, taču šis darbs parāda, ka tas ir iespējams, viņš saka.

Stenfordas grupas prototips, kas šomēnes aprakstīts žurnālā Dabas materiāli , izmanto gallija nitrīdu kā pusvadītāju. Tas pārvērš tikai aptuveni 25 procentus no gaismas enerģijas elektrībā 200 °C temperatūrā, un efektivitāte palielinās līdz ar temperatūru. Stjuarts Lihts, Džordža Vašingtona universitātes ķīmijas profesors, saka, ka šim procesam būtu priekšrocības salīdzinājumā ar saules baterijām, jo ​​tajā papildus gaismai tiek izmantots arī siltums. Taču viņš brīdina: būs nepieciešams papildu darbs, lai to pārvērstu praktiskā, efektīvākā ierīcē.

Stenfordas grupa tagad strādā, lai to paveiktu. Pētnieki testē ierīces, kas izgatavotas no materiāliem, kas ir labāk piemēroti saules enerģijas pārveidei, tostarp no silīcija un gallija arsenīda. Viņi arī izstrādā veidus, kā apstrādāt šos materiālus, lai ierīce darbotos efektīvāk temperatūras diapazonā no 400 °C līdz 600 °C; saules koncentratori tiktu izmantoti, lai radītu tik augstu temperatūru no saules gaismas.

Pat augstā temperatūrā ar fotoniem uzlabotais termokonveidotājs radīs vairāk siltuma, nekā spēj izmantot; Melošs saka, ka šo siltumu varētu savienot ar tvaika dzinēju, lai saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte pārsniegtu 50 procentus. Šīs sistēmas, visticamāk, ir pārāk sarežģītas un dārgas maza mēroga jumta iekārtām. Bet tie varētu būt ekonomiski lielām saules saimniecību iekārtām, saka Melošs, materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Viņš cer, ka pēc trim gadiem ierīce būs gatava komerciālai attīstībai.

paslēpties