En ny måde at bruge solens energi på

En ny type enhed, der både bruger varme og lys fra solen, skulle være mere effektiv end konventionelle solceller, som kun omdanner lyset til elektricitet.

Kraftig varme: Nicholas Melosh har udviklet en enhed til samtidig at omdanne solens lys og varme til elektricitet. Melosh laver og tester enheden i dette vakuumkammer i sit laboratorium på Stanford University.

Enheden er afhængig af et fysisk princip opdaget og demonstreret af forskere ved Stanford University. I deres prototype exciterer energien i sollys elektroner i en elektrode, og varme fra solen lokker de exciterede elektroner til at hoppe over et vakuum ind i en anden elektrode og generere en elektrisk strøm. Enheden kunne designes til at sende spildvarme til en dampmaskine og omdanne 50 procent af energien i sollys til elektricitet - en enorm forbedring i forhold til konventionelle solceller.

De mest almindelige siliciumsolceller omdanner omkring 15 procent af energien i sollys til elektricitet. Mere end halvdelen af ​​den indkommende solenergi går tabt som varme. Det skyldes, at de aktive materialer i solceller kun kan interagere med et bestemt bånd af solspektret; fotoner under et vist energiniveau opvarmer simpelthen cellen.

En måde at overvinde dette på er at stable aktive materialer oven på hinanden i en multijunction-celle, der kan bruge et bredere spektrum af lys og omdanne mere af det til elektrisk strøm i stedet for varme, med en effektivitet på op til omkring 40 procent. Men sådanne celler er komplekse og dyre at lave.

Leder du efter en bedre måde at drage fordel af solens varme, Stanfords Nicholas Melosh var inspireret af højeffektive kraftvarmesystemer, der bruger udvidelsen af ​​brændende gas til at drive en turbine og varmen fra forbrændingen til at drive en dampmaskine. Men termiske energiomformere parrer ikke godt med konventionelle solenergienheder. Jo varmere det er, jo mere effektiv bliver termisk energiomdannelse. Solceller bliver derimod mindre effektive, når de varmes op. Ved omkring 100 °C vil en siliciumcelle ikke fungere godt; over 200 °C, virker det slet ikke.

Gennembruddet kom, da Stanford-forskerne indså, at lyset i solstråling kunne forbedre energiomdannelsen i en anden type enhed, kaldet en termionisk energikonverter, der konventionelt udelukkende drives af varme. Termionomformere består af to elektroder adskilt af et lille mellemrum. Når den positive elektrode eller katode opvarmes, bliver elektroner i katoden ophidsede og hopper over til den negative elektrode eller anode, der driver en strøm gennem et eksternt kredsløb. Disse enheder er blevet brugt til at drive russiske satellitter, men har ikke fundet nogen applikationer på jorden, fordi de skal blive meget varme, omkring 1.500 °C, for at fungere effektivt. Katoden i disse enheder er typisk lavet af metaller såsom cæsium.

Meloshs gruppe erstattede cæsiumkatoden med en wafer af halvledende materiale, der kan gøre brug af ikke kun varme, men også lys. Når lys rammer katoden, overfører det sin energi til elektroner i materialet på en måde, der svarer til, hvad der sker i en solcelle. Denne type energioverførsel sker ikke i de metaller, der tidligere blev brugt til at fremstille disse katoder, men det er typisk for halvledermaterialer. Der skal ikke ret meget varme til for disse forspændte elektroner at hoppe til anoden, så denne nye enhed kan fungere ved lavere temperaturer end konventionelle termionomformere, men ved højere temperaturer end en solcelle.

Stanford-forskerne kalder denne nye mekanisme PETE, til fotonforstærket termionemission. Lyset hjælper med at løfte elektronernes energiniveau, så de vil flyde, siger Gang Chen , professor i kraftteknik ved MIT. Der er langt til en praktisk enhed, men dette arbejde viser, at det er muligt, siger han.

Stanford-gruppens prototype, beskrevet i denne måned i tidsskriftet Naturmaterialer , bruger galliumnitrid som halvleder. Den omdanner lige omkring 25 procent af energien i lys til elektricitet ved 200 °C, og effektiviteten stiger med temperaturen. Stuart Licht, professor i kemi ved George Washington University, siger, at processen ville have en fordel i forhold til solceller, fordi den gør brug af varme ud over lys. Men han advarer: Der vil være behov for yderligere arbejde for at omsætte dette til en praktisk, mere effektiv enhed.

Stanford-gruppen arbejder nu på at gøre netop det. Forskerne tester enheder lavet af materialer, der er bedre egnet til solenergikonvertering, herunder silicium og galliumarsenid. De udvikler også måder at behandle disse materialer på, så enheden vil arbejde mere effektivt i et temperaturområde på 400 °C til 600 °C; solar koncentratorer ville blive brugt til at generere så høje temperaturer fra sollys.

Selv ved høje temperaturer vil den foton-forstærkede termionkonverter generere mere varme, end den kan bruge; Melosh siger, at denne varme kunne kobles til en dampmaskine for en solenergi-til-elektricitetskonverteringseffektivitet på over 50 procent. Disse systemer vil sandsynligvis være for komplekse og dyre til småskala installationer på taget. Men de kunne være økonomiske for store solcelleanlæg, siger Melosh, professor i materialevidenskab og teknik. Han håber at have en enhed klar til kommerciel udvikling om tre år.

skjule