В отличие от солнечных батарей, солнечные термоэлектрические генераторы могут преобразовывать тепло из любого источника в электричество. Но низкая эффективность сдерживала развитие этой технологии — до недавнего времени.
(Изображение предоставлено: фото Университета Рочестера / Дж. Адам Фенстер)
Ученые, ищущие способы расширить возможности солнечных электростанций, обнаружили метод, который может повысить их эффективность в 15 раз.
Прорыв заключается в уникальном «чёрном металле» с лазерной гравировкой, разработанном исследователями за последние пять лет, который они теперь надеются использовать в солнечных термоэлектрических генераторах (СТЭГ).
STEGs - это тип твердотельного электронного устройства, которое преобразует тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека — явления, возникающего, когда разница температур между материалами вытесняет заряженные частицы и создает электромагнитную силу (ЭДС), или напряжение.
Фотоэлектрический элемент состоит из полупроводниковых материалов, расположенных между «горячей» и «холодной» сторонами. Когда горячая сторона нагревается — от солнца или другого источника тепловой энергии, — движение электронов через полупроводниковый материал создаёт электрический ток.
Проблема с существующими STEG заключается в том, что они крайне неэффективны, преобразуя менее 1% солнечного света в электроэнергию. Это контрастирует с фотоэлектрическими солнечными панелями, которые вы обычно видите в домах людей, которые преобразуют около 20% получаемого ими света в электроэнергию.
Однако в новом исследовании, опубликованном 12 августа в журнале Light: Science and Applications, учёные использовали металлы, обработанные лазером, также известные как «чёрные металлы» из-за их глубокого чернильно-чёрного цвета, чтобы повысить энергоэффективность солнечного термоэлектрического генератора в 15 раз.
Лазерное лечение
Метод заключался в бомбардировке вольфрамовой пластины чрезвычайно быстрыми и точными лазерными импульсами, которые вытравливали на её поверхности микроскопические бороздки. Эти «наноразмерные борозды позволяли вольфраму поглощать больше теплового излучения и удерживать его дольше.
(Изображение предоставлено: фото Университета Рочестера / Дж. Адам Фенстер)
Для холодной части STEG учёные взяли кусок обычного алюминия и снова подвергли его воздействию лазерных импульсов. В результате на металле образовались «микроструктурированные теплоотводы сверхвысокой ёмкости», которые, по утверждению команды, рассеивали тепло в два раза эффективнее, чем обычный алюминиевый радиатор.
Чтобы протестировать систему, исследователи использовали её для питания светодиода при имитации солнечного света. Обычный STEG не мог зажечь светодиод даже при освещении, в 10 раз более ярком, чем обычный солнечный свет. Однако при обработке обеих сторон устройства чёрным металлом светодиод загорался на полную яркость при освещении, в пять раз более ярком, чем обычный солнечный свет, что соответствует увеличению выходной мощности в 15 раз.
Хотя эта технология вряд ли в ближайшее время заменит солнечные электростанции, в конечном счёте её можно будет использовать для маломощных беспроводных датчиков Интернета вещей (IoT) или носимых устройств, а также в качестве автономных систем возобновляемой энергии в сельской местности, говорится в заявлении исследователей.
«На протяжении десятилетий исследовательское сообщество занималось совершенствованием полупроводниковых материалов, используемых в твердотельных лазерах на свободных электронах, и добилось незначительного повышения общей эффективности», — говорится в заявлении Чунлея Гуо, соавтора исследования, профессора оптики и физики, а также старшего научного сотрудника Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета.