Инженеры MIT разработали фотонный кристалл, способный вдвое увеличить эффективность солнечных панелей

0
611

С каждым годом солнечная энергетика привлекает всё больше внимания со стороны исследовательских центров и инвестиционных компаний, продвигающих развитие нового источника энергии всё дальше вперёд.

Одной из ожидаемых разработок в ближайшие 10-15 лет в этой области, по мнению исследователей Массачусетского технологического университета, станут тепловые солнечные батареи, которые с помощью конвертации тепла в направленные солнечные лучи смогут создавать еще более дешевую и постоянную энергию.

Фотонный кристалл (1)

Укрывающие крыши домов современные солнечные панели всё еще остаются громоздкими, дорогими и не столь эффективными. Фундаментальные ограничения не позволяют обычным фотоэлектрическим устройствам поглощать более чем часть энергии солнечного света.

За решение этой проблемы и приступила команда ученых MIT, построив иной вид устройства для сбора солнечной энергии, который использует оригинальный принцип и передовые технологии и знания о материалах с целью охвата большего количество энергии солнца.

Фотонный кристалл (3)

Главная идея инженеров MIT заключается в том, чтобы сначала превратить солнечный свет в тепло, а затем конвертировать его обратно в свет, но уже фокусируясь в спектре, который эффективно могут использовать солнечные панели.

Стандартные кремниевые солнечные панели в основном захватывают видимый свет от фиолетового до красного. Этот и другие факторы означают, что они никогда не смогут переработать более чем 32 процента энергии солнечного света в электричество.

Фотонный кристалл (4)
Рабочая установка MIT, в которой направленный луч света, имитирующий солнце, проходит сквозь окно вакуумной камеры, где достигает термофотогальванического устройства и вырабатывает электричество.

На данный момент, устройство MIT находится на стадии начального прототипа и работает с эффективностью всего 6,8%, однако, после ряда существенных улучшений инженеры ожидают увеличить показатель эффективности до уровня более 50%, что сделает новую технологию почти вдвое эффективнее существующих фотоэлектрических панелей.

Ключевым шагом в создании нового устройства стала разработка так называемого поглотителя-излучателя. Он фактически выступает в роли трубопровода света над солнечными панелями. Поглощающий слой состоит из жестких черных карбоновых нанотруб, которые захватывают всю энергию солнечного света и конвертируют её большую часть в тепло. Когда температуры достигают около 1,000 °C, прилегающий излучающий слой отдает энергию обратно в виде света, который уже сужен в полосы, которые смогут поглотить фотоэлектрические устройства.

Фотонный кристалл (2)
Черные углеродные нанотрубки располагаются над поглощающим эмиттерным слоем, собирая энергию и превращая ее в тепло

Другим существенным прорывом стало добавление высокоспециализированного оптического фильтра, который передает предназначенный свет и отражает все неиспользуемые фотоны обратно. Данная «переработка фотонов» производит еще больше тепла, что производит больше света, который может поглотить солнечная панель, что по итогу приводит к улучшению эффективности всей системы.

У подхода команды MIT есть и слабые стороны, включая высокую стоимость определенных компонентов. Также, пока система работает только в вакууме. Но экономические аспекты должны улучшиться с повышением уровней эффективности, а у исследователей сейчас есть четкий путь к достижению этого.

«Мы можем и дальше подгонять компоненты, поскольку мы улучшили свое понимание того, что необходимо сделать, чтобы достигнуть большей эффективности»,— в одном из своих интервью поделилась мнением один из ведущих инженеров проекта Эвелин Вонг.

Фотонный кристалл MIT (3)
Эвелин Вонг | Фото: Bryce Vickmark

Исследователи также изучают способы по извлечению выгоды из другой сильной стороны солнечных термофотоэлектрических устройств. Благодаря тому, что тепло легче хранить чем электричество, в будущем должно стать возможным перенаправлять его излишки, которые производятся устройством, в специальную термальную систему хранения, которая затем сможет использоваться для производства электричества даже когда не будет светить солнце.

По материалам: MIT Technology Review