Новые солнечные батареи способные отдавать свет и тепло

Есть два направления развития теории преобразования солнечной энергии в электрическую. Первая теория подразумевает преобразования солнечного света с помощью определенных свойств полупроводников, способных генерировать электрическую энергию при попадании на них солнечного света и, вторая, предполагающая сбор тепла от концентрированных солнечных лучей и последующее преобразования тепла в электроэнергию с помощью тепловых турбин, как на ТЭС.

Однако существует и третий подход, подразумевающий использования и света и тепла. Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) недавно изобрели такую солнечную батарею в попытке повысить эффективность преобразования энергии. Их работа, опубликованная в журнале Nature Energy, одна из последних труднопроизносимых в области солнечной энергетики thermophotovoltaics (STPV).

Эти солнечные батареи содержат слои специальных материалов, способных поглощать солнечный свет и хранить его в виде тепла, а затем излучать его в виде света. Регулируя количество слоев материала можно изменять длину излучаемой световой волны. Основной слой традиционный для солнечных батарей – кремний, затем может преобразовывать вторичное излучение в электрический ток. Теоретически такая система  имеет КПД выше, чем единичные фотоэлементы.

Новые солнечные батареи основанные на тепловом эффекте

Ученые MIT продвинулись в этом направлении еще дальше. При исследовании улучшенных STPV компонентов и обычных солнечных элементов при прямом солнечном свете и при облачной погоде обнаружили, что их система может больше чем в два раза превышать теоретический предел КПД солнечных элементов.

Этот предел, известный как предел Шокли – Квайссера, был внушительной стеной для многих исследователей после расчетов изобретателя транзистора Уильяма Шокли и Hans-Joachim Queisser в 1961 году. Для однослойной кремниевой ячейки данный предел был равен около 32%. Типичные современные солнечные батареи имеют эффективность 10% — 20%.

«В элементах thermophotovoltaics есть все возможности для преодоления данного предела» — говорит David Beirman, один из участников проекта. «Мы показали, что только с нашей собственной неоптимизированной геометрией мы могли бы сломать предел Шокли – Квайссера», — добавил он. Солнечная батарея сможет генерировать в два раза большую мощность от заданной площади солнечных панелей, которые состоят из кремниевых элементов.

Новые достижения в области thermophotovoltaics были разнохарактерными на протяжении многих лет. Основным препятствием для ученых был процесс подборки материалов, излучающих солнечную энергию в определенных длинах волн и способных выдерживать высокие температуры.

В новой батареи исследовательская группа использовала комбинацию углеродных нанопроводов и экзотический материал, известный как нанофотонные кристаллы. Ряд ученых, работающих над текущим проектом, в том числе и доцент машиностроения Evelyn Wang и профессор Marin Soljačić изучали данную комбинацию с начала 2014 года. Тогда он показал потенциал к поглощению практически всех длин световых волн. Нормально кремний реагирует только с некоторыми фотонами света, остальные не смогут произвести нужный эффект.

Нанопроводы поглощают практически все фотоны солнечного света, сконцентрированного в узкий пучок через ряд зеркал. Свет от солнца нагревает материал, и как только температура достигает 1000 0С, кристаллы начинают излучать световые волны определенной длины, при которых основной элемент может вступать в реакцию. Усовершенствованный оптический фильтр отражает обратно любые волны нежелательной длины, которые поглощаются обратно кристаллом для сохранения тепла.

Некоторые виды солнечных батарей достигали КПД более 40%, но при этом использовали несколько слоев клеток, способных поглощать более широкую полосу видимого света. Проблема заключалась в том, что такая структура элемента настолько дорога, что нашла применение только в спутниковой и прочей космической технике.

Продукт новых исследований включает в себя кристаллический кремний, наиболее распространенный и дешевый материал для солнечных батарей, которые благодаря новой технологии могут прилично подешеветь. Также их эффективность значительно возрастает при эксплуатации в пасмурную погоду, так как для своей работы данная конструкция использует тепло, а не прямые лучи. Следующим шагом исследований, по словам Beirman, будет расширения лабораторных прототипов и удешевление конструкции батарей.

Posted in Без рубрики

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: