211service.com
Bedre termisk fotovoltaik
En ny tilgang til at konvertere varme til elektricitet ved hjælp af solceller kunne gøre en teknologi kaldet termisk fotovoltaik (TPV) mere praktisk. MTPV , en startup baseret i Boston, der har rejst $10 millioner, siger, at den har udviklet prototyper, der er store nok til praktiske anvendelser. Virksomheden annoncerede for nylig aftaler om at installere enhederne i glasfabrikker for at generere elektricitet fra varm udstødning.
Hot spot: Et mikroskopisk afstandsstykke, der bruges til at understøtte solceller mindre end en mikrometer over et andet materiale i en termisk fotovoltaisk enhed.
Generelt bruger termiske solceller solceller til at omdanne lyset, der udstråler fra en varm overflade, til elektricitet. Mens de første applikationer vil generere elektricitet fra spildvarme, kan teknologien i sidste ende bruges til at generere elektricitet fra sollys langt mere effektivt end solpaneler gør. I et sådant system koncentreres sollys om et materiale for at varme det op, og det lys, det udsender, omdannes derefter til elektricitet af en solcelle.
Hidtil har teknologien været upraktisk til kommercielle anvendelser, dels på grund af de høje temperaturer, der kræves, og dels på grund af konkurrence fra eksisterende teknologier, såsom dampturbiner, til at omdanne varme til elektricitet. MTPVs innovation er en metode til at øge strømmen af fotoner fra det opvarmede materiale til solpanelet med 10 gange sammenlignet med typiske termiske solcelleanlæg, hvilket kan gøre dets systemer mindre, billigere og praktiske ved lavere temperaturer, siger Robert DiMatteo, MTPV's DIREKTØR.
Et konventionelt solpanel absorberer lys fra hele spektret, men det konverterer kun bestemte farver effektivt. Meget af energien i de andre bølgelængder af lys går til spilde. Som følge heraf er den maksimale teoretiske effektivitet for en konventionel solcelle 30 procent, eller 41 procent, hvis sollyset først koncentreres ved hjælp af et spejl eller en linse. I et termisk solcelleanlæg koncentreres lyset på et materiale for at varme det op. Materialet er udvalgt, så det, når det bliver varmt, udsender lys i bølgelængder, som en solcelle kan omdanne effektivt. Som følge heraf er den teoretiske maksimale effektivitet af et termisk solcelleanlæg 85 procent.
I praksis vil tekniske udfordringer gøre dette svært at opnå, men DiMatteo siger, at virksomhedens computermodeller tyder på, at effektivitetsgevinster på over 50 procent burde være mulige. Prototyperne er ikke så effektive: de omdanner omkring 10 til 15 procent af den varme, de absorberer fra glasfabrikkens udstødning til elektricitet, hvilket DiMatteo siger er nok til at gøre enhederne økonomiske. (Den forventede effektivitet af TPV-enheder er også meget højere end forventet effektivitet for termoelektriske enheder, som direkte omdanner varme til elektricitet.)
Den vigtigste forskel mellem MTPVs teknologi og andre termiske solceller er placeringen af solceller og det opvarmede materiale (MTPV står for micron-gap TPV'er). I sit arbejde, først som studerende ved MIT og senere som forsker ved Draper Laboratories, i Cambridge, MA, fandt DiMatteo ud af, at det at placere det opvarmede materiale ekstremt tæt på solcellen gjorde det muligt for langt flere fotoner at undslippe et givet område af materialet og blive absorberes af solcellen.
I et konventionelt TPV-system reflekteres de fleste af de fotoner, der genereres i det opvarmede materiale, tilbage i materialet, når de når dets overflade; det er det samme fænomen, der fanger lys i fiberoptiske kabler. Når solcellen og det opvarmede materiale bringes tæt sammen, så afstanden mellem de to er kortere end bølgelængden af det lys, der udsendes, reflekterer overfladen ikke længere lys tilbage. Fotonerne rejser fra det ene materiale til det andet, som om der ikke var et hul mellem dem. Den tætte afstand tillader også elektroner på den ene side af mellemrummet at overføre energi til elektroner på den anden side. (Et vakuum mellem det opvarmede materiale og solcellen opretholder en temperaturforskel mellem de to, der er påkrævet for at opnå høje virkningsgrader.) Da det opvarmede materiale udsender flere fotoner, kan solcellen generere 10 gange så meget elektricitet for et givet område. sammenlignet med en solcelle i en konventionel TPV.
Det gør det muligt at bruge en tiendedel så meget solcellemateriale, hvilket reducerer omkostningerne markant. Alternativt gør det det muligt at generere mere strøm ved lavere temperaturer, hvilket Peter Peumans , en professor i elektroteknik ved Stanford University, siger, er en af de vigtigste fordele ved tilgangen. Konventionel termisk solcelle kan kræve temperaturer på 1.500 °C, siger han. De første prototyper fra MTPV fungerer godt ved mindre end 1.000 °C, og DiMatteo siger, at teknologien i teorien økonomisk kunne generere elektricitet ved temperaturer helt ned til 100 °C. Dette store temperaturområde kunne gøre teknologien attraktiv til at generere elektricitet fra varme fra en række forskellige kilder, herunder biludstødning, som ellers ville være spildt.
Men Peumans siger, at teknologien har en afvejning: Fordi det opvarmede materiale og solcellen er placeret så tæt på hinanden, er det ikke muligt at sætte et filter imellem dem for at hjælpe med at justere bølgelængderne af lys, der når solcellen. Dette kan begrænse den ultimative effektivitet, som systemet kan nå.
DiMatteo offentliggjorde først arbejde om MTPV-konceptet i slutningen af 1990'erne, men det har taget indtil nu at konstruere prototyper, der er store nok til at være praktiske. En hovedudfordring har været at finde måder at skabe et mellemrum, der kun er en tiendedel af en mikrometer på tværs og alligevel kan opretholdes over de relativt store arealer, der er nødvendige for en praktisk enhed. DiMatteo siger, at virksomheden vil forbedre ydeevnen af enhederne ved at gøre kløften støt mindre, hvilket computermodeller foreslår vil forbedre effektiviteten.