211service.com
Betere thermische fotovoltaïsche energie
Een nieuwe benadering voor het omzetten van warmte in elektriciteit met behulp van zonnecellen zou een technologie die thermische fotovoltaïsche energie (TPV's) wordt genoemd, praktischer kunnen maken. MTPV , een startup uit Boston die 10 miljoen dollar heeft opgehaald, zegt prototypes te hebben ontwikkeld die groot genoeg zijn voor praktische toepassingen. Het bedrijf kondigde onlangs overeenkomsten aan om de apparaten in glasfabrieken te installeren om elektriciteit op te wekken uit hete uitlaatgassen.
Hotspot: Een microscopisch afstandsstuk dat wordt gebruikt om zonnecellen op minder dan een micrometer boven een ander materiaal te ondersteunen in een thermisch fotovoltaïsch apparaat.
Over het algemeen gebruiken thermische fotovoltaïsche cellen zonnecellen om het licht dat van een heet oppervlak uitstraalt om te zetten in elektriciteit. Terwijl de eerste toepassingen elektriciteit zullen opwekken uit restwarmte, zou de technologie uiteindelijk kunnen worden gebruikt om veel efficiënter elektriciteit op te wekken uit zonlicht dan zonnepanelen. In zo'n systeem wordt zonlicht geconcentreerd op een materiaal om het op te warmen, en het licht dat het uitstraalt, wordt vervolgens door een zonnecel omgezet in elektriciteit.
Tot nu toe was de technologie onpraktisch voor commerciële toepassingen, deels vanwege de hoge temperaturen die nodig zijn en deels vanwege concurrentie van bestaande technologieën, zoals stoomturbines, voor het omzetten van warmte in elektriciteit. De innovatie van MTPV is een methode om de stroom van fotonen van het verwarmde materiaal naar het zonnepaneel 10 keer te vergroten in vergelijking met typische thermische fotovoltaïsche systemen, waardoor de systemen kleiner, goedkoper en praktischer kunnen worden bij lagere temperaturen, zegt Robert DiMatteo, MTPV's DIRECTEUR.
Een conventioneel zonnepaneel absorbeert licht uit het hele spectrum, maar zet alleen bepaalde kleuren efficiënt om. Veel van de energie in de andere golflengten van licht gaat verloren. Hierdoor is het maximale theoretische rendement van een conventionele zonnecel 30 procent, of 41 procent als het zonlicht eerst wordt geconcentreerd met behulp van een spiegel of lens. In een thermisch fotovoltaïsch systeem wordt het licht geconcentreerd op een materiaal om het op te warmen. Het materiaal is zo gekozen dat het, wanneer het heet wordt, licht uitstraalt met golflengten die een zonnecel efficiënt kan omzetten. Als gevolg hiervan is het theoretische maximale rendement van een thermisch fotovoltaïsch systeem 85 procent.
In de praktijk zullen technische uitdagingen het moeilijk maken om dit te bereiken, maar DiMatteo zegt dat de computermodellen van het bedrijf suggereren dat een efficiëntie van meer dan 50 procent mogelijk moet zijn. De prototypes zijn niet zo efficiënt: ze zetten ongeveer 10 tot 15 procent van de warmte die ze absorberen uit de uitlaat van de glasfabriek om in elektriciteit, wat volgens DiMatteo voldoende is om de apparaten zuinig te maken. (De verwachte efficiëntie van TPV-apparaten is ook veel hoger dan de verwachte efficiëntie voor thermo-elektrische apparaten, die warmte direct omzetten in elektriciteit.)
Het belangrijkste verschil tussen de technologie van MTPV en andere thermische fotovoltaïsche systemen is de positionering van de zonnecel en het verwarmde materiaal (MTPV staat voor micron-gap TPV's). In zijn werk, eerst als student aan het MIT en later als onderzoeker bij Draper Laboratories, in Cambridge, MA, ontdekte DiMatteo dat door het verwarmde materiaal extreem dicht bij de zonnecel te plaatsen, veel meer fotonen uit een bepaald gebied van het materiaal konden ontsnappen en geabsorbeerd door de zonnecel.
In een conventioneel TPV-systeem worden de meeste fotonen die in het verwarmde materiaal worden gegenereerd, teruggekaatst in het materiaal wanneer ze het oppervlak bereiken; het is hetzelfde fenomeen dat licht opsluit in glasvezelkabels. Wanneer de zonnecel en het verwarmde materiaal dicht bij elkaar worden gebracht, zodat de afstand tussen beide korter is dan de golflengte van het uitgestraalde licht, reflecteert het oppervlak geen licht meer terug. De fotonen reizen van het ene materiaal naar het andere alsof er geen opening tussen zit. Door de kleine afstand kunnen elektronen aan de ene kant van de opening ook energie overdragen aan elektronen aan de andere kant. (Een vacuüm tussen het verwarmde materiaal en de zonnecel handhaaft een temperatuurverschil tussen de twee dat nodig is om een hoge efficiëntie te bereiken.) Aangezien het verwarmde materiaal meer fotonen uitstraalt, kan de zonnecel 10 keer zoveel elektriciteit opwekken voor een bepaald gebied, vergeleken met een zonnecel in een conventionele TPV.
Dat maakt het mogelijk om een tiende zo veel zonnecelmateriaal te gebruiken, wat aanzienlijk scheelt in de kosten. Als alternatief maakt het het mogelijk om bij lagere temperaturen meer vermogen op te wekken, wat Peter Peumans , een professor in elektrotechniek aan de Stanford University, zegt dat dit een van de belangrijkste voordelen van de aanpak is. Conventionele thermische fotovoltaïsche systemen kunnen temperaturen van 1.500 °C vereisen, zegt hij. De eerste prototypes van MTPV werken goed bij minder dan 1.000 °C, en DiMatteo zegt dat de technologie in theorie economisch elektriciteit zou kunnen opwekken bij temperaturen tot 100 °C. Dit grote temperatuurbereik zou de technologie aantrekkelijk kunnen maken voor het opwekken van elektriciteit uit warmte van verschillende bronnen, waaronder uitlaatgassen van auto's, die anders verloren zouden gaan.
Maar Peumans zegt dat de technologie een compromis heeft: omdat het verwarmde materiaal en de zonnecel zo dicht bij elkaar zijn geplaatst, is het niet mogelijk om er een filter tussen te plaatsen om de golflengten van het licht die de zonnecel bereiken af te stemmen. Dit zou de uiteindelijke efficiëntie die het systeem kan bereiken, kunnen beperken.
DiMatteo publiceerde eind jaren negentig voor het eerst werk over het MTPV-concept, maar het heeft tot nu toe geduurd om prototypes te ontwikkelen die groot genoeg waren om praktisch te zijn. Een grote uitdaging was het vinden van manieren om een opening te creëren die slechts een tiende van een micrometer breed is en toch kan worden gehandhaafd over de relatief grote gebieden die nodig zijn voor een praktisch apparaat. DiMatteo zegt dat het bedrijf de prestaties van de apparaten zal verbeteren door de kloof steeds kleiner te maken, wat volgens computermodellen de efficiëntie zal verbeteren.