Исследователи из Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета разработали метод, позволяющий увеличить выходную мощность солнечно-термоэлектрических генераторов (STEG) в 15 раз. Ключевым элементом технологии стал уникальный металл, обработанный лазером, который из-за своего угольно-черного вида получил название «черный металл». Разработка этого материала заняла пять лет.
Солнечно-термоэлектрические генераторы представляют собой твердотельные электронные устройства, которые напрямую преобразуют тепловую энергию в электричество. В их основе лежит эффект Зеебека, при котором разница температур между двумя разнородными материалами вызывает смещение заряженных частиц, что, в свою очередь, создает электродвижущую силу или напряжение. Конструктивно STEG состоит из полупроводниковых материалов, расположенных между «горячей» и «холодной» сторонами.
Главной проблемой существующих STEG является их крайне низкая эффективность. Они преобразуют в электричество менее 1% солнечного света. Для сравнения, стандартные фотоэлектрические солнечные панели, используемые в домохозяйствах, имеют эффективность около 20%. Это делает традиционные STEG непрактичными для большинства применений.
По словам соавтора исследования, профессора оптики и физики Чунлэя Го, десятилетиями исследования были сосредоточены на улучшении полупроводниковых материалов, что приносило лишь «скромные успехи». Новая работа намеренно не затрагивала полупроводники. Вместо этого ученые сконцентрировались на оптимизации «горячей» и «холодной» сторон устройства.
Для улучшения «горячей» стороны, отвечающей за поглощение тепла, команда взяла вольфрамовую пластину и обработала ее сверхбыстрыми и точными лазерными импульсами. Это создало на поверхности микроскопические канавки, или «наноразмерные травления». Такая структура позволила вольфраму поглощать больше теплового излучения и дольше его удерживать, а сама поверхность металла стала угольно-черной.
Чтобы еще больше повысить эффективность поглощения, обработанный черный вольфрам накрыли куском пластика. Это создало эффект «мини-теплицы», который позволил улавливать и удерживать дополнительное тепло на горячей стороне генератора, увеличивая температурный градиент.
Для «холодной» стороны, задача которой — максимально эффективно рассеивать тепло, был использован обычный алюминий. Его также обработали лазерными импульсами для создания микроскопических гравировок. В результате получился «микроструктурированный теплоотвод сверхвысокой емкости», который оказался вдвое эффективнее обычного алюминиевого радиатора.
Эффективность новой системы была подтверждена экспериментально. Обычный, немодифицированный STEG не смог зажечь светодиод даже при воздействии света, в 10 раз превышающего по интенсивности обычный солнечный. Модифицированное устройство с обработанными «горячей» и «холодной» сторонами успешно зажгло светодиод на полную яркость при освещении, которое было всего в пять раз интенсивнее солнечного.
Расчеты показали, что такая производительность соответствует 15-кратному увеличению выходной мощности по сравнению со стандартным устройством. «Поразительное улучшение» было достигнуто за счет комбинации лучшего поглощения солнечной энергии на горячей стороне и более эффективного рассеивания тепла на холодной. Результаты исследования были опубликованы 12 августа в журнале Light: Science and Applications.
Хотя эта технология в ближайшее время не заменит крупные солнечные электростанции, она имеет значительный потенциал для питания маломощных беспроводных датчиков Интернета вещей (IoT), носимых устройств и автономных систем возобновляемой энергии в сельских или отдаленных районах.
Изображение носит иллюстративный характер
Солнечно-термоэлектрические генераторы представляют собой твердотельные электронные устройства, которые напрямую преобразуют тепловую энергию в электричество. В их основе лежит эффект Зеебека, при котором разница температур между двумя разнородными материалами вызывает смещение заряженных частиц, что, в свою очередь, создает электродвижущую силу или напряжение. Конструктивно STEG состоит из полупроводниковых материалов, расположенных между «горячей» и «холодной» сторонами.
Главной проблемой существующих STEG является их крайне низкая эффективность. Они преобразуют в электричество менее 1% солнечного света. Для сравнения, стандартные фотоэлектрические солнечные панели, используемые в домохозяйствах, имеют эффективность около 20%. Это делает традиционные STEG непрактичными для большинства применений.
По словам соавтора исследования, профессора оптики и физики Чунлэя Го, десятилетиями исследования были сосредоточены на улучшении полупроводниковых материалов, что приносило лишь «скромные успехи». Новая работа намеренно не затрагивала полупроводники. Вместо этого ученые сконцентрировались на оптимизации «горячей» и «холодной» сторон устройства.
Для улучшения «горячей» стороны, отвечающей за поглощение тепла, команда взяла вольфрамовую пластину и обработала ее сверхбыстрыми и точными лазерными импульсами. Это создало на поверхности микроскопические канавки, или «наноразмерные травления». Такая структура позволила вольфраму поглощать больше теплового излучения и дольше его удерживать, а сама поверхность металла стала угольно-черной.
Чтобы еще больше повысить эффективность поглощения, обработанный черный вольфрам накрыли куском пластика. Это создало эффект «мини-теплицы», который позволил улавливать и удерживать дополнительное тепло на горячей стороне генератора, увеличивая температурный градиент.
Для «холодной» стороны, задача которой — максимально эффективно рассеивать тепло, был использован обычный алюминий. Его также обработали лазерными импульсами для создания микроскопических гравировок. В результате получился «микроструктурированный теплоотвод сверхвысокой емкости», который оказался вдвое эффективнее обычного алюминиевого радиатора.
Эффективность новой системы была подтверждена экспериментально. Обычный, немодифицированный STEG не смог зажечь светодиод даже при воздействии света, в 10 раз превышающего по интенсивности обычный солнечный. Модифицированное устройство с обработанными «горячей» и «холодной» сторонами успешно зажгло светодиод на полную яркость при освещении, которое было всего в пять раз интенсивнее солнечного.
Расчеты показали, что такая производительность соответствует 15-кратному увеличению выходной мощности по сравнению со стандартным устройством. «Поразительное улучшение» было достигнуто за счет комбинации лучшего поглощения солнечной энергии на горячей стороне и более эффективного рассеивания тепла на холодной. Результаты исследования были опубликованы 12 августа в журнале Light: Science and Applications.
Хотя эта технология в ближайшее время не заменит крупные солнечные электростанции, она имеет значительный потенциал для питания маломощных беспроводных датчиков Интернета вещей (IoT), носимых устройств и автономных систем возобновляемой энергии в сельских или отдаленных районах.
