PETE Нов начин за използване на слънчевата енергия - Екологичен сборник
Устройство от нов тип, използващо както светлинна, така и топлинна енергия, обещава нови възможности за преобразуване на слънчевата енергия в електричество.
Принципът на действие на новото устройство се основава на физични явления, открити от учени от Станфорд. В прототипа на новия преобразувател слънчевата светлина възбужда електрони в специален електрод, а излишната топлина прехвърля тези електрони към друг електрод във вакуум, създавайки електрически ток. Както планират учените, неизползваната топлинна енергия ще се използва за загряване на охлаждащата течност на парната машина. Този дизайн ще преобразува рекордните 50% от енергията на слънчевата светлина в електричество. Днес теоретичната граница на фотоволтаичните клетки е едва 29% ефективност на преобразуване, а най-добрите серийни проби показват 22%.
Конвенционалните слънчеви клетки, направени от кристален силиций, са само с 15% ефективност. По-голямата част от слънчевата енергия се губи като топлина. Това е така, защото такава слънчева клетка използва само част от светлинния спектър, докато фотоните под определено енергийно ниво просто нагряват плочата.
Един от начините да се възползвате максимално от светлинния поток е да създадете многослойни структури, всеки слой от които възприема различна част от спектъра, като по този начин повишава общата ефективност на преобразуване до 40% (днес тя е 35,8%). Недостатъкът на тази технология е много високата цена и сложността на производството.
В търсене на нов метод за преобразуване на слънчевата светлина итоплина към електричество Николас Мелош обърна внимание на високо ефективната комбинация от парна турбина и парна машина, която използва отпадна топлина. Но топлинната енергия е лошо комбинирана с фотоволтаични клетки, тъй като повишаването на температурата води до повишаване на ефективността на термичния преобразувател, но значително намалява ефективността на силиконовата пластина.
Екип от учени, ръководен от Мелош, замени цезиевия катод със "сандвич" от полупроводников материал, който може да използва както светлина, така и топлинна енергия за преобразуване. Когато светлината удари катода, той започна да работи като нормална фотоволтаична клетка, направена от кристален силиций, което не се случваше в катодите, направени от метал в миналото. Освен това не е необходимо голямо количество топлина, за да могат свръхвъзбудените електрони да започнат да скачат към анода. По този начин новата система дава възможност за ефективна работа при по-ниски температури, отколкото в класически термопреобразувател, но при по-високи температури от конвенционална фотоволтаична плоча.
Учените кръстиха новия механизъм PETE - photon-enhanced thermionic emission, или photon-enhanced thermionic converter.
Прототипът на устройството е описан в списанието Nature Materials. Използването на галиев нитрид като полупроводников катод направи възможно получаването на впечатляващ коеф.ефективност от около 25% при 200 C, температурата, при която конвенционалната фотоволтаична клетка спира да работи напълно, в новия преобразувател ефективността продължава да се увеличава с повишаване на температурата.
Сега учените от Станфорд продължават да експериментират с по-подходящи материали за създаване на по-добър катод, включително силиций и галиев арсенид. Следващият прототип ще трябва да работи при температури от 400-600 C, а за създаване на достатъчна температура и слънчев поток учените използват слънчеви концентратори, които фокусират плътен поток от светлинна енергия върху катода на устройството.
Въпреки високата ефективност, фотонният термичен преобразувател ще генерира повече топлина, отколкото може да използва, поради което Melosh предлага да използва излишната топлина за генериране на електричество с помощта на парен двигател, повишавайки общата ефективност на системата до 50%.
Ученият се надява до три години изобретението му да бъде доведено до степен да е готово за масово производство.