211service.com
Bättre termiska solceller
Ett nytt tillvägagångssätt för att omvandla värme till elektricitet med hjälp av solceller kan göra en teknik som kallas termisk fotovoltaik (TPV) mer praktisk. MTPV , en startup baserad i Boston som har samlat in 10 miljoner dollar, säger att de har utvecklat prototyper som är tillräckligt stora för praktiska tillämpningar. Företaget tillkännagav nyligen avtal om att installera enheterna i glasfabriker för att generera el från heta avgaser.
Hot spot: En mikroskopisk distans som används för att stödja solceller mindre än en mikrometer ovanför ett annat material i en termisk fotovoltaisk enhet.
Generellt sett använder termiska solceller solceller för att omvandla ljuset som strålar från en het yta till elektricitet. Medan de första applikationerna kommer att generera elektricitet från spillvärme, kan tekniken så småningom användas för att generera el från solljus mycket mer effektivt än solpaneler gör. I ett sådant system koncentreras solljuset på ett material för att värma upp det, och ljuset det avger omvandlas sedan till elektricitet av en solcell.
Hittills har tekniken varit opraktisk för kommersiella tillämpningar, dels på grund av de höga temperaturer som krävs och dels på grund av konkurrens från befintliga tekniker, såsom ångturbiner, för att omvandla värme till elektricitet. MTPV:s innovation är en metod för att öka flödet av fotoner från det uppvärmda materialet till solpanelen med 10 gånger jämfört med typiska termiska solcellssystem, vilket kan göra dess system mindre, billigare och praktiska vid lägre temperaturer, säger Robert DiMatteo, MTPV:s VD.
En konventionell solpanel absorberar ljus från hela spektrat, men den omvandlar bara vissa färger effektivt. Mycket av energin i ljusets andra våglängder går till spillo. Som ett resultat är den maximala teoretiska verkningsgraden för en konventionell solcell 30 procent, eller 41 procent om solljuset först koncentreras med en spegel eller lins. I ett termiskt solcellssystem koncentreras ljuset på ett material för att värma upp det. Materialet är valt så att när det blir varmt avger det ljus på våglängder som en solcell kan omvandla effektivt. Som ett resultat är den teoretiska maximala verkningsgraden för ett termiskt solcellssystem 85 procent.
I praktiken kommer tekniska utmaningar att göra detta svårt att uppnå, men DiMatteo säger att företagets datormodeller tyder på att effektivitetsvinster över 50 procent borde vara möjliga. Prototyperna är inte så effektiva: de omvandlar cirka 10 till 15 procent av värmen som de absorberar från glasfabrikens avgaser till elektricitet, vilket DiMatteo säger är tillräckligt för att göra enheterna ekonomiska. (Den förväntade effektiviteten för TPV-enheter är också mycket högre än förväntade effektivitetsvinster för termoelektriska enheter, som direkt omvandlar värme till elektricitet.)
Den viktigaste skillnaden mellan MTPVs teknologi och andra termiska solceller är placeringen av solceller och det uppvärmda materialet (MTPV står för micron-gap TPV). I sitt arbete först som student vid MIT och senare som forskare vid Draper Laboratories, i Cambridge, MA, fann DiMatteo att genom att placera det uppvärmda materialet extremt nära solcellen tillät mycket fler fotoner att fly ett givet område av materialet och absorberas av solcellen.
I ett konventionellt TPV-system reflekteras de flesta fotoner som genereras i det uppvärmda materialet tillbaka in i materialet när de når dess yta; det är samma fenomen som fångar ljus i fiberoptiska kablar. När solcellen och det uppvärmda materialet förs nära varandra, så att gapet mellan de två är kortare än våglängden på det ljus som sänds ut, reflekterar ytan inte längre ljuset tillbaka. Fotonerna färdas från ett material till ett annat som om det inte fanns något gap mellan dem. Det nära avståndet tillåter också elektroner på ena sidan av gapet att överföra energi till elektroner på den andra sidan. (Ett vakuum mellan det uppvärmda materialet och solcellen upprätthåller en temperaturskillnad mellan de två som krävs för att uppnå hög verkningsgrad.) Eftersom det uppvärmda materialet avger fler fotoner kan solcellen generera 10 gånger så mycket el för ett givet område, jämfört med en solcell i en konventionell TPV.
Det gör det möjligt att använda en tiondel så mycket solcellsmaterial, vilket sänker kostnaderna avsevärt. Alternativt gör det det möjligt att generera mer kraft vid lägre temperaturer, vilket Peter Peumans , en professor i elektroteknik vid Stanford University, säger är en av de viktigaste fördelarna med tillvägagångssättet. Konventionella termiska solceller kan kräva temperaturer på 1 500 °C, säger han. De första prototyperna från MTPV fungerar bra vid mindre än 1 000 °C, och DiMatteo säger att tekniken i teorin skulle kunna generera elektricitet ekonomiskt vid temperaturer så låga som 100 °C. Detta stora temperaturintervall kan göra tekniken attraktiv för att generera elektricitet från värme från en mängd olika källor, inklusive bilavgaser, som annars skulle gå till spillo.
Men Peumans säger att tekniken har en kompromiss: eftersom det uppvärmda materialet och solcellen är placerade så nära varandra är det inte möjligt att sätta ett filter mellan dem för att hjälpa till att ställa in ljusets våglängder som når solcellen. Detta kan begränsa den ultimata effektiviteten som systemet kan uppnå.
DiMatteo publicerade först arbete om MTPV-konceptet i slutet av 1990-talet, men det har tagit tills nu att konstruera prototyper som är tillräckligt stora för att vara praktiska. En huvudutmaning har varit att hitta sätt att skapa ett gap som bara är en tiondels mikrometer tvärs över och ändå kan bibehållas över de relativt stora ytor som behövs för en praktisk enhet. DiMatteo säger att företaget kommer att förbättra prestanda för enheterna genom att göra gapet stadigt mindre, vilket datormodeller föreslår kommer att förbättra effektiviteten.