Aurinkoenergiateollisuutta ovat vuosikymmenien ajan hallinneet aurinkopaneelit , joita asennetaan kattoihin, teollisuuslaitoksiin ja suurille maa-alueille. Näiden vakiintuneiden ratkaisujen lisäksi on kuitenkin olemassa lähestymistapoja, jotka muuttavat auringon säteilyn sähköksi käyttämällä erilaisia menetelmiä, jotka perustuvat lämpöön ja lämpötilagradienteihin.
Sisältö
Tässä yhteydessä termoelektrisille prosesseille perustuvat aurinkoteknologiat ovat jälleen saamassa suosiota viimeaikaisen kehityksen ansiosta, joka on muuttanut niiden ominaisuuksia. Avain ei ole tässä vallankumouksellisissa uusissa materiaaleissa, vaan siinä, miten valon, lämmön ja pintojen vuorovaikutusta, joista laite koostuu, hallitaan.
Mikä on uusi aurinkoteknologia, joka moninkertaistaa sähkönkulutuksen erityisen laitteen avulla?
Ennen kuin siirrymme Rochesterin yliopistossa (Yhdysvallat) tehtyyn löytöön, on tärkeää selittää, että aurinkolämpöteknologia eroaa perinteisestä aurinkosähköstä toimintaperiaatteeltaan. Sen sijaan, että valo muutettaisiin suoraan sähköksi, nämä järjestelmät käyttävät materiaalin kahden puolen lämpötilaeroa jatkuvan sähkön tuotantoon.
Tämä lähestymistapa perustuu Zeebeckin ilmiöön, joka on fysikaalinen prosessi, jossa lämpö siirtää sähkövarauksia kuumemmasta alueesta kylmempään . Kun lämpötilaero kasvaa, syntyy jännite, jota voidaan käyttää laitteiden virranlähteenä.
Tämän lähestymistavan taustalla on tutkimus, joka on julkaistu Light: Science & Applications -lehdessä ja jossa kuvataan yksityiskohtaisesti, kuinka aurinkotermosähkögeneraattori onnistui lisäämään sähköntuotantotehoaan 15-kertaiseksi tehokkaamman lämmön ja auringon säteilyn hallinnan avulla.
Tähän asti tämäntyyppinen aurinkoteknologia on osoittanut erittäin alhaisen tehokkuuden todellisissa olosuhteissa, huomattavasti alle 1 %:n energiamuunnoksella. Tämä rajoitus on rajoittanut sen käyttöä hyvin erityisiin alueisiin, kaukana perinteisten paneelien laajasta käytöstä.
Laserien ja volframin käyttö: näin luotu laite toimii.
Yksi työn keskeisistä saavutuksista on niin sanotun generaattorin kuuman puolen rakenne. Tutkijat käyttivät ohutta volframilevyä, korkeille lämpötiloille kestävää metallia, jonka pinta modifioitiin ultranopeilla femtosekuntilasereilla.
Tämän käsittelyn tuloksena metalliin muodostuu mikrorakenteita, jotka mahdollistavat pinnan tehokkaamman näkyvän valon absorboinnin toimimalla valikoivana auringon säteilyn absorboijana. Samalla infrapunasäteilyn säteily vähenee, mikä mahdollistaa materiaalin korkeamman lämpötilan saavuttamisen samalla auringon säteilyn vaikutuksella.
Lämpöhäviöiden minimoimiseksi ympäristöön järjestelmään on lisätty läpinäkyvä muovikalvo, joka toimii pienenä kasvihuoneena. Tämä yksinkertainen ratkaisu vähentää ilman konvektiota ja ylläpitää korkeampaa volframin lämpötilaa, vahvistaen lämpötilagradienttia, joka on tarpeen sähköenergian tuottamiseksi.
Rakenteessa ei ole liikkuvia osia eikä monimutkaista optiikkaa . Parannus on suunnattu valon ja lämmön vuorovaikutuksen optimointiin, mikä on tämän vaihtoehtoisen aurinkoteknologian avaintekijä.
Tehokkaampi kylmä puoli lämpökierron sulkemiseksi.
Termosähkögeneraattorin toimivuus riippuu paitsi korkeiden lämpötilojen saavuttamisesta myös lämmön nopeasta haihtumisesta vastakkaisella puolella . Tätä varten tiimi sovelsi samanlaista laserprosessointia alumiinilevyyn, joka sijaitsee laitteen kylmällä puolella.
Mikrorakenteisella alumiinilla on paljon suurempi pinta-ala kuin sileällä levyllä, mikä edistää lämmön haihtumista sekä infrapunasäteilyn että ilman kanssa tapahtuvan kosketuksen avulla. Testit osoittavat, että tällainen rakenne kaksinkertaistaa lämmönsiirron verrattuna tavallisiin samankokoisiin alumiinilohkoihin.
Tämän eron ansiosta järjestelmä ylläpitää vakaampaa lämpökontrastia molempien puolien välillä, mikä johtaa vakaampaan lähtötehoon . Näistä muutoksista huolimatta laitteen paino ei kasva käytännössä lainkaan, mikä on tärkeä tekijä kannettavissa laitteissa tai etäisillä paikoilla.
Tämän aurinkolämpöenergiateknologian sovellusalueet ja rajoitukset
Katalonian polyteknisen yliopiston tutkimuksen mukaan aurinkoteknologiaa, joka perustuu lämpösähkögeneraattoreihin, käytetään jo, vaikkakin rajoitetusti, etäohjausjärjestelmissä, antureissa ja esineiden internet -järjestelmissä. Näissä tapauksissa energian tarve on pieni, ja itsenäisyys on tärkeämpää kuin maksimaalinen lähtöteho.
Tämän uuden lähestymistavan ansiosta tällaiset järjestelmät voidaan integroida kuumiin putkiin, julkisivuihin, teollisiin rakenteisiin tai eristettyihin laitteisiin, jolloin sähköenergiaa voidaan toimittaa ilman lisäkaapelointia.
Kehitystyötä on nähtävissä myös puettavan elektroniikan alalla, jossa kehon lämpöä käytetään pienten anturien virranlähteenä. Laajempaan käyttöönottoon on kuitenkin vielä haasteita. Laserien käytön laajentaminen suurten pintojen käsittelyyn, materiaalien säänkestävyyden varmistaminen ja pitkäaikaisen suorituskyvyn ylläpitäminen ovat seikkoja, jotka on testattava todellisissa olosuhteissa.
Jos nämä esteet voitetaan, aurinkolämpöenergia voi täydentää perinteisiä aurinkosähköjärjestelmiä ja edistää hybridijärjestelmien kehittämistä, jotka pystyvät tuottamaan enemmän sähköenergiaa sekä auringonvalosta että käytetystä lämmöstä.
