PETE Новий спосіб використання сонячної енергії - Екологічний дайджест
Пристрій нового типу, що використовує одночасно енергію світла і теплову енергію, обіцяє нові можливості перетворення енергії Сонця в електрику.
Принцип дії нового приладу ґрунтується на фізичних явищах відкритих вченими Стенфорда. У прототипі нового перетворювача сонячне світло збуджує електрони у спеціальному електроді, а надлишкове тепло перекидає ці електрони на інший електрод у вакуумі, створюючи електричний струм. За задумом учених, невикористану теплову енергію буде використано для нагрівання теплоносія парового двигуна. Така конструкція дозволить перетворювати рекордні 50% енергії сонячного світла на електрику. На сьогодні теоретична межа фотоелектричних елементів ледве дотягує до 29% ККД перетворення, а найкращі серійні зразки показують 22%.
Звичайні сонячні батареї з кристалічного кремнію ефективні лише на 15%. Більшість всієї сонячної енергії втрачається як тепла. Це відбувається тому, що такий сонячний осередок використовує лише частину світлового спектру, фотони нижче певного енергетичного рівня просто розігрівають пластину.
Один із способів використовувати більшу частину світлового потоку - це створення багатошарових структур, кожен шар яких сприймає свою частину спектра, тим самим збільшуючи загальну ефективність перетворення до 40% (сьогодні це 35.8%). Недолік цієї технології – дуже висока вартість та складність виробництва.
У пошуках нового методу перетворення сонячного світла татепла в електрику Ніколас Мелош звернув увагу на високоефективну комбінацію парової турбіни та парового двигуна, який використовує побічне тепло. Але термальна енергія погано комбінуються з фотоелектричними елементами, оскільки збільшення температури призводить до підвищення ефективності теплового перетворювача, але знижує ККД кремнієвої пластини.
Група вчених під керівництвом Мелоша замінила катод із цезію на «сендвіч» із напівпровідникового матеріалу, який міг використовувати як світлову, так і теплову енергію для перетворення. Коли світло потрапляло на катод, воно починало працювати як звичайний фотоелектричний елемент із кристалічного кремнію, чого не відбувалося в катодах, виконаних з металу в минулому. Далі не потрібно великої кількості тепла, щоб перезбуджені електрони починали перестрибувати на анод. Таким чином, нова система дозволяла ефективно працювати за більш низьких температур, ніж у класичному теплоелектронному перетворювачі, але при вищих температурах, ніж звичайна фотоелектрична пластина.
Вчені назвали новий механізм PETE – photon-enhanced thermionic emission, або теплоелектронний перетворювач, покращений фотонами.
Прототип пристрою описано в журналі Nature Materials. Використання нітриду галію як напівпровідникового катода, дозволило отримати вражаючий коефіцієнткорисної дії близько 25% при температурі 200 С, температурі, за якої звичайний фотоелектричний елемент взагалі перестає працювати, у новому перетворювачі ККД продовжував зростати зі збільшенням температури.
Зараз вчені Стенфорда продовжують експериментувати з більш підходящими матеріалами для створення якіснішого катода, включаючи кремній та арсенід галію. Наступний прототип повинен працювати при температурах 400-600 С, а для створення достатньої температури та сонячного потоку вчені використовують сонячні концентратори, які сфокусують щільний потік світлової енергії на катод пристрою.
Не дивлячись на високий ККД, фотонний теплоелектронний перетворювач виділятиме більше тепла, ніж він зможе використовувати, тому Мелош пропонує використовувати надлишкове тепло для генерування електрики за допомогою парової машини, піднявши сукупний ККД системи до 50%.
Вчений сподівається, що протягом трьох років його винаходи буде доведено до готовності впровадження у масове виробництво.