211service.com
Een nieuwe manier om de energie van de zon te gebruiken
Een nieuw type apparaat dat zowel warmte als licht van de zon gebruikt, zou efficiënter moeten zijn dan conventionele zonnecellen, die alleen het licht omzetten in elektriciteit.
Heldere hitte: Nicholas Melosh heeft een apparaat ontwikkeld om tegelijkertijd het licht en de warmte van de zon om te zetten in elektriciteit. Melosh maakt en test het apparaat in deze vacuümkamer in zijn laboratorium aan de Stanford University.
Het apparaat is gebaseerd op een fysiek principe dat is ontdekt en aangetoond door onderzoekers van de Stanford University. In hun prototype wekt de energie in zonlicht elektronen in een elektrode op, en warmte van de zon zorgt ervoor dat de aangeslagen elektronen over een vacuüm in een andere elektrode springen, waardoor een elektrische stroom wordt opgewekt. Het apparaat zou kunnen worden ontworpen om restwarmte naar een stoommachine te sturen en 50 procent van de energie in zonlicht om te zetten in elektriciteit - een enorme verbetering ten opzichte van conventionele zonnecellen.
De meest voorkomende siliciumzonnecellen zetten ongeveer 15 procent van de energie in zonlicht om in elektriciteit. Meer dan de helft van de binnenkomende zonne-energie gaat verloren als warmte. Dat komt omdat de actieve materialen in zonnecellen alleen kunnen interageren met een bepaalde band van het zonnespectrum; fotonen onder een bepaald energieniveau verwarmen gewoon de cel.
Een manier om dit te verhelpen is om actieve materialen op elkaar te stapelen in een multijunction-cel die een breder spectrum van licht kan gebruiken, waarbij meer ervan wordt omgezet in elektrische stroom in plaats van warmte, met een efficiëntie tot ongeveer 40 procent. Maar zulke cellen zijn complex en duur om te maken.
Op zoek naar een betere manier om te profiteren van de hitte van de zon, Stanford's Nicholas Melosh werd geïnspireerd door zeer efficiënte warmtekrachtkoppelingssystemen die de expansie van brandend gas gebruiken om een turbine aan te drijven en de warmte van de verbranding om een stoommachine aan te drijven. Maar thermische energieomzetters passen niet goed bij conventionele zonne-apparaten. Hoe heter het is, hoe efficiënter de omzetting van thermische energie wordt. Zonnecellen daarentegen worden minder efficiënt als ze opwarmen. Bij ongeveer 100 °C zal een siliciumcel niet goed werken; boven 200 °C werkt het helemaal niet.
De doorbraak kwam toen de Stanford-onderzoekers zich realiseerden dat het licht in zonnestraling de energieconversie zou kunnen verbeteren in een ander type apparaat, een thermionische energieomzetter genaamd, dat conventioneel uitsluitend door warmte wordt aangedreven. Thermionische converters bestaan uit twee elektroden gescheiden door een kleine ruimte. Wanneer de positieve elektrode, of kathode, wordt verwarmd, worden elektronen in de kathode opgewonden en springen ze over naar de negatieve elektrode, of anode, waardoor een stroom door een extern circuit wordt gestuurd. Deze apparaten zijn gebruikt om Russische satellieten van stroom te voorzien, maar hebben geen toepassingen op de grond gevonden omdat ze erg heet moeten worden, ongeveer 1.500 ° C, om efficiënt te kunnen werken. De kathode in deze apparaten is meestal gemaakt van metalen zoals cesium.
De groep van Melosh verving de cesiumkathode door een wafeltje van halfgeleidend materiaal dat niet alleen gebruik kan maken van warmte maar ook van licht. Wanneer licht de kathode raakt, geeft het zijn energie door aan elektronen in het materiaal op een manier die vergelijkbaar is met wat er in een zonnecel gebeurt. Dit type energieoverdracht vindt niet plaats in de metalen die in het verleden werden gebruikt om deze kathoden te maken, maar is typisch voor halfgeleidermaterialen. Er is niet zo veel warmte nodig voor deze vooraf aangeslagen elektronen om naar de anode te springen, dus dit nieuwe apparaat kan bij lagere temperaturen werken dan conventionele thermionische converters, maar bij hogere temperaturen dan een zonnecel.
De Stanford-onderzoekers noemen dit nieuwe mechanisme PETE, voor foton-versterkte thermionische emissie. Het licht helpt het energieniveau van de elektronen te verhogen, zodat ze gaan stromen, zegt bende chen , hoogleraar energietechniek aan het MIT. Het is een lange weg naar een praktisch apparaat, maar dit werk laat zien dat het mogelijk is, zegt hij.
Het prototype van de Stanford-groep, deze maand beschreven in het tijdschrift Natuurmaterialen , gebruikt galliumnitride als halfgeleider. Het zet ongeveer 25 procent van de energie in licht om in elektriciteit bij 200 °C, en het rendement stijgt met de temperatuur. Stuart Licht, hoogleraar scheikunde aan de George Washington University, zegt dat het proces een voordeel zou hebben ten opzichte van zonnecellen omdat het naast licht ook gebruik maakt van warmte. Maar hij waarschuwt: er zal extra werk nodig zijn om dit te vertalen in een praktisch, efficiënter apparaat.
De Stanford-groep werkt nu aan precies dat. De onderzoekers testen apparaten die zijn gemaakt van materialen die beter geschikt zijn voor omzetting van zonne-energie, waaronder silicium en galliumarsenide. Ze ontwikkelen ook manieren om deze materialen te behandelen, zodat het apparaat efficiënter zal werken in een temperatuurbereik van 400 ° C tot 600 ° C; zonneconcentratoren zouden worden gebruikt om zulke hoge temperaturen uit zonlicht te genereren.
Zelfs bij hoge temperaturen zal de met fotonen versterkte thermionische omzetter meer warmte genereren dan hij kan gebruiken; Melosh zegt dat deze warmte kan worden gekoppeld aan een stoommachine voor een omzettingsrendement van zonne-energie naar elektriciteit van meer dan 50 procent. Deze systemen zijn waarschijnlijk te complex en te duur voor kleinschalige dakinstallaties. Maar ze kunnen voordelig zijn voor grote zonneparkinstallaties, zegt Melosh, een professor in materiaalkunde en techniek. Hij hoopt over drie jaar een apparaat klaar te hebben voor commerciële ontwikkeling.