PETE: Новый способ использования солнечной энергии

Николас Мелош, исследователь Стэнфордского Университета продемонстрировал новый механизм преобразования солнечного света и тепла в электричество с помощью разработанного им устройства.

Устройство нового типа, использующее одновременно энергию света и тепловую энергию, обещает новые возможности в преобразовании энергии Солнца в электричество.

Принцип действия нового прибора основан на физических явлениях открытых учеными Стэнфорда. В прототипе нового преобразователя солнечный свет возбуждает электроны в специальном электроде, а избыточное тепло перебрасывает эти электроны на другой электрод в вакууме, создавая электрический ток.

По задумке ученых, неиспользованная тепловая энергия будет использована для нагрева теплоносителя парового двигателя. Такая конструкция позволит преобразовывать рекордные 50% энергии солнечного света в электричество. На сегодня, теоретический предел фотоэлектрических элементов едва дотягивает до 29% КПД преобразования, а лучшие серийные образцы показывают 22%.

Обычные же солнечные батареи из кристаллического кремния эффективны лишь на 15%. Большая часть всей солнечной энергии теряется в виде тепла. Это происходит потому, что такая солнечная ячейка использует лишь часть светового спектра, фотоны же ниже определенного энергетического уровня просто разогревают пластину.

Один из способов использовать большую часть светового потока – это создание многослойных структур, каждый слой которых воспринимает свою часть спектра, тем самым увеличивая общую эффективность преобразования до 40% (сегодня это 35.8%). Недостаток этой технологии – очень высокая стоимость и сложность производства.

В поисках нового метода преобразования солнечного света и тепла в электричество Николас Мелош обратил внимание на высокоэффективную комбинацию паровой турбины и парового двигателя, который использует побочное тепло. Но термальная энергия плохо комбинируются с фотоэлектрическими элементами, так как увеличение температуры приводит к увеличению эффективности теплового преобразователя, но сильно снижает КПД кремниевой пластины.

Идея использования разогретого электрода для получения электроэнергии в вакууме не нова. Подобные конверторы (thermionic energy converter) использовались российскими спутниками, но не нашли применения на земле, так как для эффективной работы требовалась очень высокая температура, около 1500 С. Катод этих термических преобразователей обычно создавался с использованием цезия.

Группа ученых под руководством Мелоша заменила катод из цезия на «сэндвич» из полупроводникового материала, который мог использовать как световую, так и тепловую энергию для преобразования. Когда свет попадал на катод, он начинал работать как обычный фотоэлектрический элемент из кристаллического кремния, чего не происходило в катодах, выполненных из металла в прошлом. Далее не требовалось большого количества тепла, чтобы перевозбужденные электроны начинали перепрыгивать на анод. Таким образом, новая система позволяла эффективно работать при более низких температурах, чем в классическом теплоэлектронном преобразователе, но при более высоких температурах, чем обычная фотоэлектрическая пластина.

Ученые назвали новый механизм PETE - photon-enhanced thermionic emission, или теплоэлектронный преобразователь, улучшенный фотонами.

Прототип устройства был описан в журнале Nature Materials. Использование нитрида галлия в качестве полупроводникового катода, позволило получить впечатляющий коэффициент полезного действия около 25% при температуре 200 С, температуре, при которой обычный фотоэлектрический элемент вообще перестает работать, в новом преобразователе КПД продолжал расти с увеличением температуры.

Сейчас ученые Стэнфорда продолжают экспериментировать с более подходящими материалами для создания более качественного катода, включая кремний и арсенид галлия. Следующий прототип должен будет работать при температурах 400-600 С, а для создания достаточной температуры и солнечного потока ученые используют солнечные концентраторы, которые сфокусируют плотный поток световой энергии на катод устройства.

Не смотря на высокий КПД, фотонный теплоэлектронный преобразователь будет выделять больше тепла, чем он сможет использовать, поэтому Мелош и предлагает использовать избыточное тепло для генерирования электричества с помощью паровой машины, подняв совокупный КПД системы до 50%.

Ученый надеется, что в течение трех лет его изобретения будет доведено до готовности внедрения в массовое производство.

Источник