Согласно термодинамике, для производства работы за счёт тепла требуется поток тепла от горячего источника к холодному стоку. В дневное время фотоэлемент солнечной панели работает как тепловой двигатель, используя Солнце в качестве источника тепла и окружающую среду Земли в качестве поглотителя холода, преобразовывая солнечное излучение в электрическую энергию. В дополнение к солнечной радиации существует исходящий радиационный тепловой поток от Земли в космическое пространство. Такой исходящий тепловой поток возможен потому, что атмосфера Земли прозрачна в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. Величина такого исходящего теплового потока очень велика, поскольку он должен в среднем уравновешивать тепловой поток от входящего солнечного потока, чтобы Земля поддерживала свою температуру. Таким образом, имея доступ к ясному небу, любой объект на Земле может излучать тепло в космическое пространство, что обеспечивает механизм радиационного охлаждения. В последнее время такой эффект радиационного охлаждения вызывает значительный интерес, когда основное внимание уделяется охлаждению различных материалов и интеграции в приложения, связанные с энергетикой, такие как охлаждение зданий.
Инфракрасный свет, выделяемый от поверхности солнечных панелей позволяет устройству, разработанному учёными из Стэнфордского университета — термоэлектрическому генератору (TEG), — производить электроэнергию за счёт разницы температур между окружающим воздухом и поверхностью солнечной батареи. Радиационное излучение происходит как в ночное, так и в дневное время.
Запрячь радиационное излучение
Сбор исходящего от поверхности теплового потока представляет интерес для выработки электроэнергии в ночное время. Полярность выходного напряжения обратная по сравнению с обычной дневной работой, но реализация схемы требует, чтобы фотоэлектрический элемент (PV) был сделан из полупроводников с малой шириной запрещённой зоны, которые могут работать в тепловом диапазоне длин волн, что делает схему невозможной для кремниевых элементов, обычно используемых для солнечных элементов. В качестве альтернативы, поскольку типичная оболочка фотоэлемента состоит из диоксида кремния, который сильно излучает в среднем инфракрасном диапазоне длин волн, фотоэлемент должен демонстрировать сильный эффект радиационного охлаждения в ночное время.
Стандартные фотоэлектрические элементы могут обеспечить возобновляемый автономный источник электроэнергии, но они производят энергию только за счёт дневного солнечного излучения и не производят энергию ночью. Хотя было несколько теоретических предложений и экспериментальных демонстраций сбора энергии от радиационного охлаждения фотоэлемента в ночное время, достигнутая плотность мощности очень низкая.
При ясном ночном небе термоэлектрический генератор достигает выработки 50 мВт/м2, с напряжением холостого хода 100 мВ. Разработчики считают, что это не предел. С некоторыми модификациями (и в благоприятной локации) подобное устройство может производить в два раза больше электричества. Теоретический предел составляет примерно 1-2 Ватт на квадратный метр. Это достаточно малое число, но даже подобная электроэнергия ночью может найти применение в рахны отраслях.
Тем не менее, остаётся много проблем. Во-первых, мощность, вырабатываемая ночью, составляет всего 50 мВт/м2 по сравнению с ~1000 Вт/м2 для стандартной солнечной панели. Во-вторых, тепло будет охлаждаться относительно быстро, что приведет к уменьшению количества произведённого электричества.
Сегодня, большая часть населения мира — 1 000 000 000 человек — не имеет доступа к электрической сети. Во многих сельских районах, зависящих от мини-сетей или автономных систем, обеспечение электроэнергией в ночное время часто требует установки значительных дополнительных аккумуляторных батарей, что значительно усложняет систему. Разработка средств для извлечения энергии из существующих фотоэлементов в ночное время позволит уменьшить дневное ограничение выработки фотоэлектрической энергии и уменьшить или устранить потребность в аккумуляторных батареях в системах электроснабжения. По сравнению с аккумуляторами, которые значительно портятся после многих сотен и тысяч циклов зарядки, TEG, применяемые в солнечных батареях, являются твердотельными (срок службы которых практически неограничен).
Ещё одно неплохое применение такой технологии — питание огромной сети датчиков мониторинга окружающей среды, которые исследователи используют для отслеживания всего, от погодных условий до инвазивных видов в отдалённых уголках земного шара.
Рабочий прототип: LDPE — low-density polyethylene (полиэтилен низкой плотности)
Изобретение использует источник энергии, который очень легко не заметить. Земля постоянно получает огромное количество энергии от Солнца, порядка 173 000 ТВатт. Облака, частицы в атмосфере и отражающие поверхности, такие как заснеженные горы, отражают 30 % этой энергии обратно в космос почти сразу же. Остальное в конечном итоге нагревает землю, океаны, облака, атмосферу и всё остальное на планете.
Но эта энергия не остаётся на Земле. За исключением дополнительного тепла, которое поглощают парниковые газы, Земля вырабатывает примерно столько же энергии, сколько получает. Поэтому планета выделяет колоссальное количество энергии в виде инфракрасного излучения.
Современные учёные не первые, кто применил радиационное охлаждение. На юго-востоке Ирана есть остатки десятков Якчалов, так называемых «ледяных домов», которые древние персы использовали в качестве холодильников 2400 лет назад. Люди заливали воду в неглубокие бассейны рядом с ледяными домами. Даже если температура воздуха была выше нуля, вода замерзала. Утром люди собирали лёд и переносили его в ближайшую структуру, похожую на улей, которая использовала другие методы пассивного охлаждения, чтобы держать лёд ниже точки замерзания в течение всего лета.
Перспективы
Солнечная батарея на самом деле не очень хороший проводник тепла. Инженеры поняли, что энергия, выходящая за края солнечной панели, не вносит большого вклада в выходную мощность системы, потому что тепловая энергия не может легко проходить через сам солнечный элемент. Разработчики решили эту проблему, прикрепив солнечный элемент непосредственно к алюминиевой пластине, которая проводит энергию намного эффективнее.
Первоначально, созданное экспериментальное устройство могло питать светодиодную лампочку. Все детали, использованные для экспериментального устройства, были куплены в магазинах бытовой техники и электроники общей стоимостью менее 30 долларов.
Установка включала алюминиевый диск, окрашенный в чёрный цвет с одной стороны, обращённый к небу. Диск использовался для излучения тепла из окружающего воздуха. В его состав также входил термоэлектрический генератор — устройство, вырабатывающее электрическое напряжение в ответ на перепад температур.
Экспериментальное устройство
Устройство вырабатывало примерно 25 милливатт на квадратный метр. Хотя это намного меньше, чем солнечный элемент аналогичного размера, устройство можно легко использовать для выработки электроэнергии в местах, которые не подключены к электрической сети.
Теперь группа ученых утверждает, что использовала этот эффект для создания элемента «антисолнечной энергии», который может генерировать в 120 раз больше энергии, чем любое подобное устройство. Конкретная конструкция может быть сравнима с производительностью тепловой машины Карно — теоретический термодинамический предел для «идеального» двигателя. Этот результат значительно выше и указывает на потенциальную применимость сбора электроэнергии в ночное время.
Конечно, текущая модель еще не близка к коммерческому применению. Тем не менее, учитывая преимущества, которые она может принести в области возобновляемых источников энергии, эту технологию определенно стоит изучить. Ведь чистая энергия от ВИЭ обеспечила рекордные 38 процентов мирового спроса на электроэнергию в 2021 году. В настоящее время 50 стран производят более 10% электроэнергии из ветряных и солнечных источников.
