Технології
Технології

Сонячні панелі попрацювали вночі завдяки різниці температур

Американські інженери модифікували сонячні панелі для роботи вночі. Термоелектричний генератор збирає енергію з перепаду температур і дає можливість отримати 50 міліватів енергії на квадратний метр вночі. Вдень модифіковані панелі працюють як зазвичай. Як подовжити вироблення енергії у нічний і безсонячний час вчені описали у статті, опублікованій у Applied Physics Letters.

Pexels

Pexels

Отримати енергію від Сонця можна якщо зібрати його випромінювання на фотоелектричні елементи, які перетворять його на електричний струм. Однак забезпечення електроенергією в нічний час часто потребує встановлення додаткових акумуляторних батарей, які дають змогу використовувати накопичену вдень енергію, але значно ускладнюють систему.

Можливість виробляти електроенергію в нічний час може стати в пригоді широкому спектру додатків, як-то освітлення та малопотужні датчики. І у своїй роботі інженери Стенфордського університету в Каліфорнії модифікували стандартний сонячний елемент для роботи вночі, додавши до нього термоелектричний генератор — пристрій, що виробляє струм за рахунок різниці температур.

Ідея вчених полягає в тому, щоб зібрати енергію від різниці температур між фотоелементом та навколишнім середовищем. З точки зору термодинаміки, для того щоб будь-який процес перетворення енергії робив корисну роботу, наприклад виробляв електроенергію, мають бути джерело тепла і холодніший поглинач цього тепла. Передача тепла завжди іде від гарячішого тіла до менш гарячого — говорить другий закон термодинаміки. І вдень все зрозуміло: Сонце – тепло, навколишнє середовище та фотоелемент – холод, який це тепло поглине. Однак уночі у відкритому доступі такого потужного джерела тепла немає, хоча існує набагато холодніше тіло – власне космос.

Ілюстрація підходу, який використали вчені. Aaswath P. Raman et al. / Joule, 2019

Ілюстрація підходу, який використали вчені. Aaswath P. Raman et al. / Joule, 2019

Крім сонячної радіації існує вихідний радіаційний тепловий потік від Землі в космічний простір. Значна частина теплового випромінювання від поверхні, зверненої до неба, може проходити через атмосферу і досягати космічного простору, забезпечуючи пасивне радіаційне охолодження поверхні до температури значно нижче температури навколишнього середовища. Таким чином, використання атмосферного простору, що оточує поверхню Землі, як джерело тепла, а космосу як поглинач холоду, дозволило б керувати новим типом нічного теплового двигуна та виробляти електроенергію в нічний час.

Одним із прямих способів зробити це модульним та зручним способом є використання термоелектричних генераторів, які привернули значну увагу в останні два десятиліття. В їх основі лежить ефект Зеєбека, при якому різниця температур у струмопровідному матеріалі провокує тепловий потік і змушує носії заряду рухатися між гарячими та холодними областями, що і створює різницю потенціалів. Автори цієї роботи запропонували свій прототип об'єднаного з термоелектричним генератором фабричного монокристалічного кремнієвого сонячного елемента.

Схема конструкції та прототип готового пристрою. Sid Assawaworrarit et al. / Applied Physics Letters, 2022

Схема конструкції та прототип готового пристрою. Sid Assawaworrarit et al. / Applied Physics Letters, 2022

Його розмістили на даху університету на кілька днів, протягом яких небо мінялося від ясного до хмарного. Вночі, коли температура фотоелемента опускалася нижче температури навколишнього середовища приблизно на 3 градуси Цельсія, термоелектричний генератор зміг витягти з цієї різниці температури близько 50 міліватів енергії на квадратний метр. Вимірювання температури показують, що фотоелемент нагрівається від поглинання сонячного випромінювання і у денний час. Так опівдні фотоелемент досягає максимальної різниці температур приблизно на 15 градусів Цельсія вище за температуру навколишнього середовища, що дозволяє термоелектричному генератору отримати енергії щільністю 1,3 вата на квадратний метр. Виходить, вдень термоелектричний генератор також забезпечує додаткову потужність на додаток до електроенергії, що виробляється безпосередньо фотоелементами.

Щільність отриманої енергії вчені планують збільшити у майбутніх дослідженнях, експериментуючи із відношенням площі фотоелектричного елемента до площі термоелектричного генератора. За їхніми словами, завдяки тривалому терміну служби термоелектричних генераторів, пропонована установка може мати більш низькі витрати на технічне обслуговування в довгостроковій перспективі порівняно з акумуляторною сонячною батареєю.

Також нещодавно ми розповідали про тандемні перовскітово-кремнієві сонячні панелі, які вже протестували на відкритому повітрі. А також про перовськітоподібні безсвинцеві фотоелементи, які попрацювали на зібраному у приміщенні світлі. А китайські вчені використали капсаїцин, який відповідає за гостроту перців, щоб підвищити ефективність сонячних батарей.


Фото в анонсі: Pexels