Теплова революція: сонячна технологія, що генерує енергію у 15 разів ефективніше
На ринку зеленої енергетики з’явилася розробка, здатна збільшити генерацію у маловідомій сонячній технології в 15 разів , про яку написало онлайн-видання Earth.com. Ми адаптували цей матеріал для читачів SPEKA, щоб детально розкрити потенціал цієї технології, яка обіцяє революціонізувати чисту енергію.
Як працює термоелектричний генератор і чому він був неефективним
Звичайні сонячні панелі перетворюють сонячне світло на електрику безпосередньо всередині напівпровідникових пластин. Натомість, новий пристрій належить до класу термоелектричних сонячних генераторів (STEGs) , які використовують різницю температур між двома сторонами спеціальних матеріалів для створення стабільного електричного струму. Цей процес відомий як ефект Зеебека — термоелектричний процес, де тепло змушує носії заряду рухатися до холоднішої сторони, створюючи напругу.
Робота була очолена Чунлеєм Го, професором оптики в Університеті Рочестера , чиї дослідження сфокусовані на використанні надшвидких лазерів для формування поверхонь матеріалів у застосуваннях енергетики та фотоніки. Раніше термоелектричні сонячні генератори перетворювали менше одного відсотка вхідної сонячної енергії на електрику в практичних умовах, що робило їх лише нішевою цікавинкою. Більшість дахових фотовольтаїчних систем наближаються до 20 відсотків ефективності. Команда дослідників дійшла висновку, що для подолання цього розриву необхідне розумніше управління теплом, а не повністю нові матеріали.
Інноваційна стратегія: управління теплом за допомогою лазерів
Група з Рочестера сфокусувалася на управлінні світлом і теплом навколо модуля, щоб максимізувати енергію, яка перетинає його, замість того, щоб винаходити новий напівпровідник. Це призвело до значного оновлення обох сторін пристрою.
Оптимізація гарячої сторони: вольфрам і мікропарниковий ефект
На гарячій стороні пристрою команда змінила тонку вольфрамову пластину, використовуючи фемтосекундні лазери — інструменти, що випускають надзвичайно короткі імпульси світла. Обробка поверхні допомагає ефективно поглинати сонячне світло. Оскільки оброблений вольфрам випромінює відносно мало інфрачервоного тепла , він досягає вищих температур під тим самим сонячним світлом, ніж необроблена пластина.
Щоб запобігти витоку цього тепла в повітря, дослідники натягнули прозору пластикову плівку над гарячою поверхнею. Цей чохол створює крихітний парниковий ефект, повітряну кишеню, де зменшена конвекція дозволяє вольфраму залишатися набагато гарячішим за навколишнє середовище. Комбінація почорненого металу та пластикової камери модернізує гарячу сторону генератора, не додаючи рухомих частин чи громіздкої оптики.
Оптимізація холодної сторони: мікроструктурований алюмінієвий радіатор
На холодній стороні та сама лазерна система створює візерунки з рядами крихітних канавок і гребенів на тонкій алюмінієвій фользі. Це створює високо мікроструктуровану поверхню, покриту дрібними елементами, які значно збільшують площу. Завдяки цьому метал може набагато швидше відводити тепло.
На відкритому повітрі оброблений алюміній працює як компактний радіатор, який поєднує випромінювання інфрачервоної енергії з ефективним контактом з повітрям. Це дозволяє швидше відводити тепло від термоелектричного модуля, завдяки чому холодна сторона залишається прохолоднішою, тоді як гаряча сторона зберігає інтенсивне тепло. Тести показують, що цей перероблений радіатор видаляє приблизно вдвічі більше тепла, ніж звичайний алюмінієвий блок того ж розміру.
Навіть з приєднаними чорненим вольфрамом і мікроструктурованим алюмінієм, генератор важить лише приблизно на чверть більше, ніж голий комерційний модуль. Ця скромна зміна ваги важлива для портативного використання, наприклад, для сенсорів у віддалених полях або спорядження, яке переноситься військовими, де важливий кожен додатковий грам.
Практичне застосування та майбутній потенціал
Цей винахід має значний прикладний потенціал. Інженери в промисловості та науково-дослідних лабораторіях вже використовують невеликі термоелектричні генератори для живлення віддалених сенсорів і контролерів. У вузлах сенсорів із низьким енергоспоживанням, де необхідна електрика знаходиться в діапазоні мікроват-міліват , термоелектричні збирачі стають привабливими скрізь, де існує температурний градієнт. Невеликі TEG, що використовують цю обробку, можуть розташовуватися на гарячих трубах, стінах або корпусах двигунів, живлячи реєстратори або комунікаційні модулі без додаткової проводки.
Ще одна активна область – натільна електроніка, де невеликі пристрої, які носяться на тілі, можуть контролювати здоров'я чи активність. Наприклад, один патч, що живиться теплом, використовує термоелектричну систему для роботи моніторів, використовуючи різницю температур шкіра-повітря.
У перспективі, сонячні термоелектричні модулі, що вловлюють сонячне світло та тепло, можуть підтримувати зарядні пристрої для транспортних засобів, дорожні знаки або аварійні бокси подалі від електромережі. Хоча пристрій з Рочестера залишається експериментальним, він показує, як управління світлом і теплом на поверхнях може дати сонячним технологіям опції, що виходять за рамки фотовольтаїчних панелей.
Виклики та стратегія масштабування
Перетворення металевих поверхонь на точні оптичні структури за допомогою лазерів залишається тонкою лабораторною роботою, хоча сам процес відносно простий. Масштабування цих текстур на великі площі або вигнуті промислові деталі вимагатиме систем, здатних швидко сканувати, точно вирівнювати та залишатися доступними.
Для забезпечення високої продуктивності протягом багатьох років необхідно перевірити, як чорнений вольфрам, пластикова плівка та структурований алюміній витримують експлуатацію. Якщо ці перешкоди будуть усунені, сонячна термоелектрична технологія зможе перейти від живлення контрольних приладів до підтримки енергетичних потреб там, де панелі важко встановити. Інженери можуть поєднувати її з традиційними фотовольтаїчними та відновлюваними джерелами, створюючи гібридні системи, які зможуть витиснути більше електрики як із сонячного світла, так і з відпрацьованого тепла.
Глосарій ключових понять
- Термоелектричний генератор (TEG): Пристрій, що перетворює різницю температур безпосередньо на електричну енергію, використовуючи ефект Зеебека.
- Ефект Зеебека (Seebeck effect): Термоелектричний процес, де тепло змушує носії заряду рухатися в матеріалі до холоднішої сторони, генеруючи напругу та струм.
- Фотовольтаїка (Photovoltaics): Технологія, зазвичай використовувана в сонячних панелях, яка перетворює світло безпосередньо на електрику за допомогою напівпровідникових пластин.
- Фемтосекундний лазер: Інструмент, який випускає надзвичайно короткі імпульси світла (в діапазоні 10−15 секунди) і використовується для високоточного формування та текстурування поверхонь матеріалів.
Источник: speka.ua