Potrójna strategia termiczna. Jakie zmiany doprowadziły do sukcesu?
Zespół z Instytutu Optyki porzucił dotychczasowe paradygmaty. Zamiast skupiać się na udoskonalaniu półprzewodników w słonecznych generatorach termoelektrycznych (STEG), postawił na optymalizację procesów cieplnych. W praktyce oznacza to trzy uzupełniające się rozwiązania. Po gorącej stronie urządzenia zastosowano zmodyfikowany laserowo wolfram o zwiększonej absorpcji światła, nazywany “czarnym metalem”. Dodatkowo, pokryto go plastikową osłoną tworzącą efekt miniaturowej szklarni, co ogranicza straty ciepła. Po przeciwnej stronie umieszczono grawerowane laserem radiatory aluminiowe, dwukrotnie skuteczniejsze w odprowadzaniu ciepła niż standardowe rozwiązania.
Czytaj też: Chiny stawiają na wodór. Gigantyczny projekt namiesza w energetyce
Przez dziesięciolecia społeczność badawcza skupiała się na poprawie materiałów półprzewodnikowych używanych w STEG i osiągnęła skromne zyski w ogólnej wydajności. W tym badaniu nawet nie dotykamy materiałów półprzewodnikowych – zamiast tego skupiliśmy się na gorącej i zimnej stronie urządzenia — wyjaśnia Chunlei Guo, główny autor badania
Wyniki w praktyce i szansa na zastosowania w świecie rzeczywistym
Testy pokazały, że zoptymalizowany absorber pochłaniał światło słoneczne trzykrotnie efektywniej niż tradycyjne rozwiązania ceramiczne. Kluczowa okazała się 6-milimetrowa warstwa powietrza w “szklarni”, redukująca straty ciepła o ponad 40%. Najbardziej wymowny był eksperyment z diodą LED. O ile standardowy STEG nie zapalał jej nawet przy dziesięciokrotnym skupieniu światła, tak zmodyfikowane urządzenie osiągało pełną jasność przy pięciokrotnej koncentracji. Ogólny wzrost wydajności określono na poziomie piętnastokrotności w porównaniu z obecnie stosowanymi rozwiązaniami.
Ta technologia może znaleźć zastosowanie głównie w zasilaniu czujników IoT (tzw. Internet Rzeczy) i urządzeń noszonych (ang. wearables), szczególnie w miejscach bez dostępu do sieci. Masa systemu wzrosła jedynie o 25% w porównaniu do konwencjonalnych STEG, a proces wytwarzania jest jednoetapowy i skalowalny. Mimo to należy pamiętać o drugiej stronie medalu. Spektakularny wzrost wydajności dotyczy porównania z mało efektywnymi generatorami termoelektrycznymi, nie zaś z panelami fotowoltaicznymi o 20% sprawności.
Jak zauważa Vernon Brechin, który nie był związany z ostatnimi eksperymentami, proces i narzędzia zastosowane do wygenerowania tych ulepszeń są bardzo drogie i prawdopodobnie nie stworzą ekonomicznie konkurencyjnych konwerterów energii słonecznej. Choć droga do komercjalizacji wydaje się daleka z uwagi na wysokie koszty produkcji, samo podejście zasługuje na uwagę. Pokazuje, że w energetyce słonecznej wciąż istnieją nisze, w których nietuzinkowe rozwiązania mogą przynieść znaczący postęp. Dotychczasowe ustalenia inżynierów zostały zaprezentowane na łamach Light: Science & Applications.