Небо над Стэнфордом, штат Калифорния, было необычно ясным в течение нескольких ночей в октябре прошлого года.
Это была хорошая новость для исследователя Сида Ассававоррарита и его коллег. Эти условия были «вероятно, лучшими в году», — сказал он IE.
Ассаворрарит не является астрономом, благодарным за то, что облака не блокировали свет звезд, проходящий через атмосферу и достигающий зеркала его телескопа. Инженер-электрик приветствовал безоблачные ночи по совершенно другой причине: ясная ночь означает, что инфракрасный свет от поверхности солнечных батарей может свободно излучаться в космос.
Этот поток энергии позволяет устройству, созданному Ассаворраритом и его коллегами — обычной солнечной панели, оснащенной термоэлектрическим генератором, — генерировать небольшое количество электричества за счет небольшой разницы температур между окружающим воздухом и поверхностью солнечной панели.
Ночью солнечные батареи испускают фотоны
Новая технология использует удивительный факт о солнечных панелях.
«Днем свет исходит от Солнца и попадает на солнечный элемент, а ночью происходит нечто противоположное», — говорит Ассававоррарит.
Это потому, что солнечные панели — как и все, что теплее абсолютного нуля — излучают инфракрасное излучение.
«На самом деле свет [от солнечной панели] гаснет, и мы используем его для выработки электроэнергии ночью. Фотоны, уходящие в ночное небо, фактически охлаждают солнечный элемент», — говорит он.
Когда эти фотоны покидают обращенную к небу поверхность солнечной панели, они уносят с собой тепло. Это означает, что в ясную ночь, когда нет облаков, отражающих инфракрасный свет обратно на Землю, поверхность солнечной панели будет на несколько градусов холоднее окружающего ее воздуха. Именно этим перепадом температур пользуются Ассававоррарит и его коллеги. Устройство, называемое термоэлектрическим генератором, может улавливать часть тепла, поступающего от более теплого воздуха к более холодной солнечной панели, и преобразовывать его в электричество.
В ясную ночь устройство, испытанное Ассававорраритом на крыше Стэнфордского университета, вырабатывает около пятидесяти милливатт на каждый квадратный метр солнечной панели (50 мВт/м 2 ).
«Я думаю, что это рекордное число», — говорит он. Но Ассававоррарит и его команда не останавливаются на достигнутом. Он говорит, что с парой улучшений (и в хорошем месте) такое устройство могло бы генерировать в два раза больше электроэнергии.
«Теоретический предел, вероятно, составляет около одного или двух ватт на квадратный метр», — говорит он. «Это небольшое число, но есть много применений», где такая энергия ночью может пригодиться.
Например, большая часть населения мира — примерно миллиард человек — не имеет доступа к электрической сети. Люди, живущие в такой ситуации, «могут полагаться на солнечную энергию днем, но ночью они мало что могут сделать», — говорит он. В отличие от батарей, которые существенно разлагаются после нескольких тысяч циклов зарядки, термоэлектрические генераторы, используемые в этих солнечных панелях, являются твердотельными, «поэтому срок службы практически вечен», — говорит он.
Еще одно хорошее применение этой технологии — питание огромной сети датчиков окружающей среды, которые исследователи используют для отслеживания всего, от погодных условий до инвазивных видов в отдаленных уголках земного шара. Опять же, солнечные панели, которые генерируют небольшое количество электроэнергии в ночное время, могут снизить потребность в батареях, а также расходы на техническое обслуживание и замену, которые они несут.
«Если вы сможете увеличить мощность до ватта на квадратный метр, это будет очень привлекательно с точки зрения затрат», — говорит Ассававоррарит.
Изобретение использует источник энергии, который легко упустить из виду
Земля постоянно получает огромное количество энергии от Солнца, порядка 173 000 терраватт. Облака, частицы в атмосфере и отражающие поверхности, такие как заснеженные горы, немедленно отражают 30 процентов этой энергии в космос. Остальное в конечном итоге нагревает землю, океаны, облака, атмосферу и все остальное на планете.
Но эта энергия не остается здесь. За исключением дополнительного тепла, которое улавливают парниковые газы после того, как люди начали сжигать большое количество ископаемого топлива после промышленной революции, Земля посылает примерно столько же энергии, сколько получает. Вот почему планета излучает поистине умопомрачительное количество энергии в виде инфракрасного излучения.
«Это своего рода свет, — говорит Ассававоррарит. Инфракрасное излучение, которое исходит от теплой Земли (или чего-то еще), имеет длину волны, слишком большую для глаз, но оно несет энергию. На самом деле через этот процесс проходит более половины всего количества солнечной энергии, попадающей на Землю, и в конечном итоге возвращается в космос.
Что сделали Ассававоррарит и его коллеги, так это разработали новый способ улавливания этой энергии, когда она покидает планету. Интегрировав эту новую технологию с солнечными панелями, которые вырабатывают электроэнергию в течение дня, исследователи сделали важный шаг вперед, позволив обычным людям получать эту энергию для себя.
Все сводится к радиационному охлаждению
Современные ученые едва ли не первые, кто заметил, что поверхность, обращенная к безоблачному ночному небу, может стать холоднее воздуха вокруг нее. Это явление называется радиационным охлаждением, и вы, вероятно, сами видели его утром. Это наиболее заметно в траве после того, как температура упала, но не совсем ниже точки замерзания.
«Даже если температура окружающей среды на несколько градусов выше точки замерзания, температура листа [травы] на самом деле ниже», — говорит Ассававоррарит. «Если температура травы на несколько градусов ниже температуры окружающей среды, а температура окружающей среды чуть выше точки замерзания, то температура травы на самом деле может быть ниже точки замерзания».
Это странное (хотя и незаметное) явление, которое происходит только при ясном небе. Это потому, что облака нагревают землю, отражая инфракрасный свет обратно на поверхность Земли. «Вы не сможете его увидеть, потому что это происходит на длине волны, невидимой для людей», но радиационное охлаждение происходит постоянно, говорит Ассававоррарит.
Современные ученые тоже не первые, кто применил радиационное охлаждение. На юго-востоке Ирана есть остатки десятков ледяных домов, называемых Яхчалами, которые древние персы использовали для эксплуатации этого явления. Когда сооружения работали, люди заливали воду в неглубокие бассейны рядом с ледяными домами. Утром люди собирали лед и переносили его в ближайшую структуру, похожую на улей, которая использовала другой набор методов пассивного охлаждения, чтобы лед оставался ниже точки замерзания в течение всего лета.
Разработка этой технологии ставит несколько инженерных задач
Понимание физики этих ночных солнечных панелей — это только часть битвы. Инженеры годами работали над тем , чтобы сделать их достаточно эффективными, чтобы их можно было использовать в реальном мире.
Ассававоррарит и его коллеги начали работать над проблемой во время пандемии.
«Вначале мы немного застряли, потому что число, которое мы получили в начале, было далеко не тем, что мы ожидали», — говорит он. После нескольких месяцев подсчетов первый эксперимент команды показал, что ранние версии устройства производили примерно одну десятую количества электроэнергии, которое они ожидали.
Оказалось, что на их пути встала одна большая проблема.
«Солнечная батарея на самом деле не очень хороший проводник тепла», — говорит Ассававоррарит. «Вот в чем проблема». 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.
«Оглядываясь назад, это звучит просто, — говорит он. «Но в тот момент это было не очевидно».
Инженеры решили проблему, прикрепив солнечный элемент непосредственно к алюминиевой пластине, которая проводит энергию намного эффективнее.
«Это было своего рода прозрение», — говорит он.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com