Kā iegūt saules enerģiju caur siltumu, kā arī gaismu

Jauna pieeja saules enerģijas ieguvei, ko izstrādājuši MIT pētnieki, varētu uzlabot efektivitāti, izmantojot saules gaismu, lai sildītu augstas temperatūras materiālu, kura infrasarkano starojumu pēc tam savāktu parastā fotoelementu šūna. Šis paņēmiens varētu arī atvieglot enerģijas uzglabāšanu vēlākai lietošanai, saka pētnieki.

Nanofotoniska saules termofotoelektriskā ierīce, kas sastāv no daudzsienu oglekļa nanocauruļu masīva kā absorbcijas, viendimensijas silīcija/silīcija dioksīda fotoniskā kristāla kā emitētāja un 0,55 eV fotoelementa. Fotoattēlu sniedzis Džons Freidahs.

Šajā gadījumā papildu soļa pievienošana uzlabo veiktspēju, jo ļauj izmantot gaismas viļņu garumus, kas parasti tiek izniekoti. Process ir aprakstīts rakstā, kas publicēts šonedēļ žurnālā Dabas nanotehnoloģijas , kuras autors ir maģistrants Andrejs Lenerts, mašīnbūves asociētā profesore Evelīna Vanga, fizikas profesore Marina Soljačiča, galvenais pētnieks Ivans Celanovičs un trīs citi.

Parastā silīcija bāzes saules baterija neizmanto visus fotonus, skaidro Vans. Tas ir tāpēc, ka fotona enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā ir nepieciešams, lai fotona enerģijas līmenis atbilstu fotoelektriskā (PV) materiāla raksturlielumam, ko sauc par joslas spraugu. Silīcija joslas sprauga reaģē uz daudziem gaismas viļņu garumiem, taču tai trūkst daudzu citu.

Lai novērstu šo ierobežojumu, komanda starp saules gaismu un PV šūnu ievietoja divslāņu absorbētāja-emitera ierīci, kas izgatavota no jauniem materiāliem, tostarp oglekļa nanocaurulēm un fotoniskajiem kristāliem. Šis starpmateriāls savāc enerģiju no plaša spektra saules gaismas, procesā uzsilstot. Kad tas uzkarst, tāpat kā dzelzs gabals, kas kvēlo sarkani, tas izstaro noteikta viļņa garuma gaismu, kas šajā gadījumā ir noregulēts tā, lai tas atbilstu tuvumā uzstādītās PV šūnas joslas atstarpei.

Šī pamatkoncepcija ir pētīta vairākus gadus, jo teorētiski šādas saules termofotoelementu (STPV) sistēmas varētu nodrošināt veidu, kā apiet teorētisko ierobežojumu pusvadītāju fotoelektrisko ierīču enerģijas pārveidošanas efektivitātei. Šis ierobežojums, ko sauc par Shockley-Queissera ierobežojumu, nosaka šādas efektivitātes ierobežojumu 33,7 procenti, taču Vangs saka, ka ar TPV sistēmām efektivitāte būtu ievērojami augstāka - ideālā gadījumā tā varētu būt virs 80 procentiem.

Ir bijuši daudzi praktiski šķēršļi šī potenciāla īstenošanai; Iepriekšējie eksperimenti nav spējuši ražot STPV ierīci ar efektivitāti, kas lielāka par 1 procentu. Taču Lenerts, Vans un viņu komanda jau ir izgatavojuši sākotnējo testa ierīci ar izmērīto efektivitāti 3,2 procenti, un viņi saka, ka ar turpmāku darbu viņi sagaida, ka viņi spēs sasniegt 20 procentu efektivitāti — viņi saka, ka pietiekami daudz komerciāli dzīvotspējīgam produktam. .

Divslāņu absorbētāja-emitera materiāla dizains ir šī uzlabojuma atslēga. Tās ārējais slānis, kas vērsts pret saules gaismu, ir daudzsienu oglekļa nanocaurules, kas ļoti efektīvi absorbē gaismas enerģiju un pārvērš to siltumā. Šis slānis ir cieši saistīts ar fotoniskā kristāla slāni, kas ir precīzi izstrādāts tā, lai, kad to karsē pievienotais nanocauruļu slānis, tas spīd ar gaismu, kuras maksimālā intensitāte ir galvenokārt virs blakus esošā PV joslas spraugas, nodrošinot, ka lielākā daļa absorbētāja savāktā enerģija pēc tam tiek pārvērsta elektrībā.

Savos eksperimentos pētnieki izmantoja simulētu saules gaismu un atklāja, ka tās maksimālā efektivitāte tika sasniegta, kad tās intensitāte bija līdzvērtīga fokusēšanas sistēmai, kas koncentrē saules gaismu ar koeficientu 750. Šī gaisma uzsildīja absorbētāju-emitatoru līdz 962 grādiem pēc Celsija.

Šis koncentrācijas līmenis jau ir daudz zemāks nekā iepriekšējos STPV sistēmu mēģinājumos, kas koncentrēja saules gaismu vairākus tūkstošus reizi. Taču MIT pētnieki saka, ka pēc turpmākas optimizācijas vajadzētu būt iespējai iegūt tāda paša veida uzlabojumus vēl zemākās saules gaismas koncentrācijās, padarot sistēmas vieglāk darbināmas.

Komanda saka, ka šāda sistēma apvieno saules fotoelektrisko sistēmu priekšrocības, kas pārvērš saules gaismu tieši elektroenerģijā, un saules siltuma sistēmas, kurām var būt priekšrocības aizkavētas izmantošanas gadījumā, jo siltumu var vieglāk uzglabāt nekā elektrību. Viņi saka, ka jaunās saules termofotoelementu sistēmas varētu nodrošināt efektivitāti, jo tās platjoslas absorbē saules gaismu; mērogojamība un kompaktums, jo tie ir balstīti uz esošo mikroshēmu ražošanas tehnoloģiju; un enerģijas uzglabāšanas vienkāršība, jo tās ir atkarīgas no siltuma.

Daži veidi, kā vēl vairāk uzlabot sistēmu, ir diezgan vienkārši. Tā kā sistēmas starpposms, absorbētājs-izstarotājs, ir atkarīgs no augstām temperatūrām, tā izmēram ir izšķiroša nozīme: jo lielāks objekts, jo mazāks ir tā virsmas laukums attiecībā pret tā tilpumu, tāpēc siltuma zudumi strauji samazinās, palielinoties izmēram. Sākotnējie testi tika veikti ar 1 centimetru mikroshēmu, bet turpmākie testi tiks veikti ar 10 centimetru mikroshēmu, viņi saka.

Džordžijas Tehnoloģiju institūta mašīnbūves profesors Džuomins Džans, kurš nebija iesaistīts šajā pētījumā, saka: Šis darbs ir izrāviens saules termofotoelementu jomā, kas principā var sasniegt augstāku efektivitāti nekā parastajām saules baterijām, jo ​​STPV var izmantot viss saules spektrs. … Šis sasniegums paver ceļu ātrai STPV efektivitātes palielināšanai.

Pētniecības komandā bija arī MIT absolventi Deivids Bīrmans un Vokers Čans, bijušais postdoc Youngsuk Nam un pētnieks Ivans Celanovičs. Darbu finansēja ASV Enerģētikas departaments, izmantojot MIT cietvielu saules siltumenerģijas pārveidošanas (S3TEC) centru, kā arī Martina ģimenes biedrība, MIT Enerģētikas iniciatīva un Nacionālais zinātnes fonds.

paslēpties