Модифицированный солнечный элемент производит электроэнергию ночью

Время чтения: 8 минут.

Опубликовано 8 июня 2023 г. 26 мая 2023 г. автором Мелиса Яшински

Солнечные панели становятся все более распространенным источником возобновляемой энергии и обеспечивают электричеством те части мира, которые не имеют доступа к электрической сети. Солнечная панель состоит из десятков небольших устройств, которые преобразуют солнечный свет в электричество, называемых фотоэлектрическими элементами или сокращенно фотоэлектрическими элементами. Типичная фотоэлектрическая ячейка имеет площадь около 5 квадратных дюймов (или 13 квадратных сантиметров) и изготовлена ​​из кремния, доступного полупроводникового материала. Кремний поглощает энергию солнечного света, который побуждает электроны двигаться от нижней части ячейки к верхней, создавая электричество. Поскольку для этого процесса требуется солнечная энергия, фотоэлектрический элемент не производит электроэнергию в ночное время, оставляя в эти часы отключенные от сети места без электричества.

Недавно исследователи заинтересовались использованием энергии, создаваемой теплом, излучаемым объектами, посредством процесса, называемого радиационным охлаждением. Земля днем ​​нагревается Солнцем, а затем охлаждается ночью, излучая длинноволновое излучение обратно в космическое пространство. Вот почему за теплым днем ​​может смениться гораздо более прохладная ночь, особенно при ясном небе.

Типичные фотоэлектрические элементы покрыты диоксидом кремния, который имеет сильное тепловыделение из-за радиационного охлаждения. Это означает, что фотоэлектрический элемент теряет тепло в окружающую среду, в результате чего ночью он на несколько градусов холоднее окружающего воздуха. В настоящее время фотоэлементы не могут преобразовать это изменение температуры в электричество. Ученые предложили разработать фотоэлектрические элементы, которые собирают эту энергию. Однако для этого потребуется полупроводник с электрическими свойствами, отличными от кремния, а это означает, что солнечные панели на основе кремния потребуется заменить для выработки электроэнергии в ночное время.

Вместо того, чтобы разрабатывать новую фотоэлектрическую ячейку, ученые из Стэнфордского университета модифицировали существующую фотоэлектрическую ячейку для преобразования тепла в электрическую энергию. Они внедрили устройство, которое преобразует изменения температуры в электрическую энергию, называемое термоэлектрическим генератором или ТЭГ. ТЭГ — это твердотельное устройство, то есть оно не имеет движущихся частей и изготовлено из уникального материала, который реагирует на воздействие двух разных температур. Атомы материала, подвергающегося воздействию более высокой температуры, возбуждаются и высвобождают электроны, которые перетекают в сторону материала, подвергающегося более низкой температуре. Ученые планировали прикрепить ТЭГ между более холодным фотоэлементом и более теплым окружающим воздухом.

При разработке этого модифицированного фотоэлектрического элемента ученые использовали термодинамические расчеты, чтобы определить, когда ТЭГ будет генерировать больше всего электроэнергии. Они решили, что им необходимо минимизировать количество тепла, поступающего из окружающего воздуха, вокруг ТЭГ и к фотоэлектрическому элементу, поскольку это не будет способствовать выработке электроэнергии ТЭГ. Поэтому они поместили устройство в изолированную пластиковую камеру с отверстием для подключения к окружающему воздуху.

Ученые также подсчитали, что им необходимо максимально увеличить контакт горячей стороны ТЭГ с окружающим воздухом. Для этого они подключили эту сторону ТЭГ к стандартной части компьютера, передающей тепловую энергию, называемой радиатором, и опоре основания. Радиатор обеспечивал путь окружающему воздуху к ТЭГ с небольшим сопротивлением. Они также соединили алюминиевый лист между фотоэлементом и ТЭГ для улучшения теплопередачи. Затем они нанесли силиконовую смазку на каждый компонент для усиления теплового потока.

Чтобы протестировать свою модифицированную фотоэлектрическую ячейку, ученые разместили ее на крыше с беспрепятственным доступом к небу на четыре дня и ночи. В течение этого времени они постоянно контролировали мощность, вырабатываемую ТЭГ, фотоэлектрическим элементом, а также температуру фотоэлектрического элемента, радиатора и окружающего воздуха.

Ученые наблюдали, как фотоэлектрическая ячейка нагревалась в течение дня, при этом температура достигла максимума в середине дня примерно на 15°C (59°F) выше температуры окружающего воздуха. Ночью температура фотоэлектрических элементов упала ниже температуры окружающего воздуха, что было наиболее заметно в ясные ночи, примерно на 3°C (37°F) ниже. ТЭГ извлекал энергию из разницы температур днем ​​и ночью.