Solarenergie, die eingefangen werden kann, wenn die Sonne untergegangen ist

Von Betsy Vereckey, Mitwirkender

Solarenergie ist immer heiß, aber es gibt einen offensichtlichen Nachteil: Sie brauchen die Sonne, damit sie gut funktioniert.

Aber was wäre, wenn Sie die Vorteile der Sonnenenergie auch nach Sonnenuntergang nutzen könnten? Ein neues Experiment hat gezeigt, dass Infrarotwärme, die nachts von der Erde abgegeben wird, zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

„Ein Solarmodul wandelt nicht das gesamte Sonnenlicht in Strom um – viele der Verluste erzeugen am Ende nur Wärme“, sagt Ned Ekins-Daukes, außerordentlicher Professor an der School of Photovoltaic & Renewable Energy Engineering der University of New South Wales und Co-Autor neuer Forschungsergebnisse, die sich mit diesem Thema befassen.

Tagsüber erwärmt Sonnenenergie den Planeten. Nachts strahlt dieselbe Energie in Form von unsichtbarem Infrarotlicht in den Weltraum zurück. Mit freundlicher Genehmigung der Universität von New South Wales.

Der Anstoß für die Forschung von Ekins-Daukes begann vor sieben Jahren, als er und ein Forscherteam die Idee hatten, diese Energieverluste von Sonnenkollektoren in etwas Nützliches umzuwandeln. „Sammeln wir diese Wärme und machen wir etwas daraus“, sagt Ekins-Daukes.

Ekins-Daukes hat den größten Teil seiner Karriere in der Solarenergie verbracht, die laut Regierungsstatistiken rund 3 % des US-Stroms ausmacht. Solarenergie ist heute auch viel billiger als Ende der 1990er Jahre, als sie in diesem Sektor anfing, wobei einige Schätzungen sagen, dass sie die billigste verfügbare Energiequelle ist.

Wenn die Sonne die Erde mit ihrer Strahlungswärme ziert, wird diese Sonnenenergie am Ende des Tages als Infrarotlicht wieder in den Weltraum abgegeben. „Klimawissenschaftler untersuchen dies sehr detailliert, weil dies ein sehr kleines Ungleichgewicht zwischen ein- und ausgehender Strahlung untermauert, das zur globalen Erwärmung führt“, sagt Ekins-Daukes und stellt fest, dass dieser Energieaustausch leicht in etwas anderes umgewandelt werden kann. Dies veranlasste Ekins-Daukes, sich zu fragen, ob andere Forscher jemals ähnlich gedacht hatten; Bei der Untersuchung stellte er fest, dass sie die Idee nur theoretisch untersucht hatten. Ekins-Daukes wollte noch einen Schritt weiter gehen.

„Ein paar Mitglieder des Teams und ich füllten ein Whiteboard mit Mathematik und Diagrammen, und wir kratzten uns am Kopf und dachten, okay, wissen Sie, das könnte möglich sein“, sagt er.

Ein Gerät, das im Dunkeln Strom erzeugt

Um zu beweisen, ob dies möglich ist, entwickelte das Team ein Halbleiterbauelement namens „thermoradiative Diode“. Dieses Gerät nimmt den thermischen Energiefluss der Erde und wandelt ihn in Elektrizität um, indem es sich auf den Temperaturunterschied zwischen der heißen Atmosphäre unseres Planeten und der kalten Leere des Weltraums stützt. Das Gerät besteht aus den gleichen Materialien, die das Militär in Nachtsichtbrillen verwendet, um Infrarotaktivität zu erkennen, wobei „Sie in der Lage sein müssen, die thermische Emission zu sehen, die von dem kommt, wonach Sie suchen“, sagt er. Wollte man beispielsweise nachts Tiere sehen, „zeigt einem die Nachtsicht den leichten Temperaturunterschied zwischen Körperwärme und Umgebung“.

„Als Doktorand versuchte ich herauszufinden, wie man Solarzellen mit diesem oder jenem Trick verbessern kann, aber viele Jahre später stellte sich heraus, dass es wirklich nützlich war, um uns auf dem Weg zu unserer thermoradiativen Diode zu helfen“, sagt er.

Diese kleine Wärmestrahlungsdiode besteht aus HgCdTe und hat auf der Vorderseite eine GaAs-Linse. Wenn die Umgebung kälter als die Diode ist, kann sie Strom erzeugen, indem sie Infrarotlicht aussendet. Mit freundlicher Genehmigung der Universität von New South Wales.

Eine Herausforderung, auf die das Team stieß, bestand darin, dass es sehr schwierig war, die Spannung – die Menge an erzeugter Elektrizität – zu messen, da Fehler im Halbleiter die Menge an emittierter Spannung verringerten. “Die Spannung, die wir messen, sind Mikrovolt”, die viel kleiner sind als die Spannung einer Standard-Solarzelle, etwa 100.000 Mal weniger, sagt er.

„Als wir feststellten, dass unser Material Mängel aufweisen würde und dass diese Mängel zu einer drastischen Verringerung der Spannung führten, wurde uns klar, dass wir das Experiment verbessern mussten“, sagt er und merkte an, „sobald Sie Mängel im Halbleiter haben , die Spannung wird wirklich klein, so klein, dass Sie sie mit einem Standard-Tresormessgerät nicht messen können, also mussten wir die Art und Weise, wie wir die Spannung gemessen haben, verbessern. Als wir das gemacht haben, flossen plötzlich alle Daten.”

Ein zweigleisiger Ansatz: Solar am Tag und Infrarot in der Nacht

Derzeit ist die vom Gerät erzeugte Spannung viel zu gering, um ein Solarpanel mit Strom zu versorgen. Ekins-Dauke sagt, dass ein Solarpanel auf Ihrem Dach an einem hellen, sonnigen Tag normalerweise etwa 200 Watt pro Quadratmeter erzeugt, während ihre Wärmestrahlungsdioden etwa 20 Watt pro Quadratmeter erzeugen würden. Ekins-Dauke sagt jedoch, dass es wichtig ist, dass das Gerät überhaupt Strom erzeugen kann; zu zeigen, dass auf diese Weise Energie erzeugt werden kann, ist das, was wirklich zählt.

„Wenn wir den Halbleiter ein bisschen verbessern können – und das wird nicht einfach –, aber wenn wir den Halbleiter ein bisschen verbessern können, dann wird die Spannung steigen“, sagt er. „Wir können mit der Verwendung eines freundlicheren Halbleiters beginnen und diesen dann verwenden, um Verbrauchergeräte wie eine Armbanduhr mit Strom zu versorgen, die durch Ihre eigene thermische Körperwärme betrieben werden könnte, die in einen kälteren Raum abstrahlt.“ Mit “freundlicher” schlägt Ekins-Dauke vor, einen Halbleitertyp zu verwenden, der bereits in der Unterhaltungselektronik verwendet wird.

Ein nachts aufgenommenes Wärmebild des Hafens von Sydney zeigt, dass die Gebäudeoberflächen, der Gehweg und sogar das Wasser stark strahlen. Mit freundlicher Genehmigung der Universität von New South Wales.

„Wenn Sie ein iPhone haben, funktioniert Face ID mit einem kleinen Laser, der Ihr Gesicht sanft mit kleinen Infrarotlichtpunkten beleuchtet, und so weiß es, dass Sie es sind und nicht jemand anderes, der versucht, an Ihr Telefon heranzukommen. er sagte. “Das ist so etwas wie das, was wir uns als nächstes Gerätedesign vorstellen.”

Ekins-Dauke räumt ein, dass sich die thermoradiative Diode in einem sehr frühen Stadium befindet und erhebliche Arbeit erfordern wird, bevor sie auf den Dächern der Menschen ausreichend Strom erzeugen kann. Allerdings sei es prinzipiell möglich, die Thermostrahlungsdiode mit der Photovoltaik (PV)-Technologie zu kombinieren, die Licht in Strom umwandelt.

„PV könnte tagsüber auf Ihrem Dach verwendet werden und nachts könnte sie wieder Strom erzeugen, wenn wir Infrarotlicht in den kalten Nachthimmel strahlen“, sagte er. „Um das über große Flächen zu machen, gibt es einiges mehr zu tun, aber ich denke, das ist eines der Dinge, die das Gefühl wirklich interessant machen.“

Leitbild von Andre Benz/Unsplash

Author: admin

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