Ett nytt sätt att använda solens energi

En ny typ av apparater som använder både värme och ljus från solen borde vara effektivare än konventionella solceller, som bara omvandlar ljuset till el.

Ljus värme: Nicholas Melosh har utvecklat en enhet för att samtidigt omvandla solens ljus och värme till elektricitet. Melosh tillverkar och testar enheten i denna vakuumkammare i sitt labb vid Stanford University.

Enheten bygger på en fysisk princip som upptäckts och demonstrerats av forskare vid Stanford University. I deras prototyp exciterar energin i solljus elektroner i en elektrod, och värme från solen får de exciterade elektronerna att hoppa över ett vakuum in i en annan elektrod, vilket genererar en elektrisk ström. Enheten kan utformas för att skicka spillvärme till en ångmaskin och omvandla 50 procent av energin i solljus till elektricitet – en enorm förbättring jämfört med konventionella solceller.

De vanligaste kiselsolcellerna omvandlar cirka 15 procent av energin i solljus till elektricitet. Mer än hälften av den inkommande solenergin går förlorad som värme. Det beror på att de aktiva materialen i solceller kan interagera med endast ett visst band av solspektrumet; fotoner under en viss energinivå värmer helt enkelt upp cellen.

Ett sätt att övervinna detta är att stapla aktiva material ovanpå varandra i en multijunction-cell som kan använda ett bredare spektrum av ljus och omvandla mer av det till elektrisk ström istället för värme, för verkningsgrader upp till cirka 40 procent. Men sådana celler är komplexa och dyra att tillverka.

Letar du efter ett bättre sätt att dra nytta av solens värme, Stanfords Nicholas Melosh inspirerades av högeffektiva kraftvärmesystem som använder expansionen av brinnande gas för att driva en turbin och värmen från förbränningen för att driva en ångmaskin. Men värmeenergiomvandlare passar inte bra med konventionella solenergiapparater. Ju varmare det är, desto effektivare blir värmeenergiomvandlingen. Solceller blir däremot mindre effektiva när de värms upp. Vid cirka 100 °C kommer en kiselcell inte att fungera bra; över 200 °C fungerar det inte alls.

Genombrottet kom när forskarna från Stanford insåg att ljuset i solstrålning kan förbättra energiomvandlingen i en annan typ av enhet, kallad termionisk energiomvandlare, som konventionellt drivs enbart av värme. Termionomvandlare består av två elektroder åtskilda av ett litet utrymme. När den positiva elektroden, eller katoden, värms upp, exciteras elektronerna i katoden och hoppar över till den negativa elektroden, eller anoden, och driver en ström genom en extern krets. Dessa enheter har använts för att driva ryska satelliter men har inte hittat några applikationer på marken eftersom de måste bli väldigt varma, cirka 1 500 °C, för att fungera effektivt. Katoden i dessa enheter är vanligtvis gjord av metaller som cesium.

Meloshs grupp ersatte cesiumkatoden med en skiva av halvledande material som kan använda inte bara värme utan också ljus. När ljus träffar katoden överför det sin energi till elektroner i materialet på ett sätt som liknar det som händer i en solcell. Denna typ av energiöverföring sker inte i de metaller som användes för att tillverka dessa katoder tidigare, men det är typiskt för halvledarmaterial. Det krävs inte lika mycket värme för dessa förexciterade elektroner att hoppa till anoden, så den här nya enheten kan fungera vid lägre temperaturer än konventionella termionomvandlare, men vid högre temperaturer än en solcell.

Stanford-forskarna kallar denna nya mekanism PETE, för fotonförstärkt termionisk emission. Ljuset hjälper till att lyfta elektronernas energinivå så att de kommer att flöda, säger Gäng Chen , professor i kraftteknik vid MIT. Det är långt till en praktisk enhet, men det här arbetet visar att det är möjligt, säger han.

Stanford-gruppens prototyp, beskriven denna månad i tidskriften Naturmaterial , använder galliumnitrid som halvledare. Den omvandlar bara cirka 25 procent av energin i ljus till elektricitet vid 200 °C, och effektiviteten stiger med temperaturen. Stuart Licht, professor i kemi vid George Washington University, säger att processen skulle ha en fördel jämfört med solceller eftersom den använder värme utöver ljus. Men han varnar: Ytterligare arbete kommer att behövas för att översätta detta till en praktisk och effektivare enhet.

Stanford-gruppen arbetar nu för att göra just det. Forskarna testar enheter gjorda av material som är bättre lämpade för solenergiomvandling, inklusive kisel och galliumarsenid. De utvecklar också sätt att behandla dessa material så att enheten fungerar mer effektivt i ett temperaturområde på 400 °C till 600 °C; solkoncentratorer skulle användas för att generera så höga temperaturer från solljus.

Även vid höga temperaturer kommer den fotonförstärkta termionomvandlaren att generera mer värme än den kan använda; Melosh säger att denna värme skulle kunna kopplas till en ångmaskin för en omvandlingseffektivitet från solenergi till el som överstiger 50 procent. Dessa system är sannolikt för komplexa och dyra för småskaliga takinstallationer. Men de kan vara ekonomiska för stora solenergianläggningar, säger Melosh, professor i materialvetenskap och teknik. Han hoppas ha en enhet redo för kommersiell utveckling om tre år.

Dölj