Forskere har designet en off-grid, billig modulær energikilde, der effektivt kan producere strøm om natten. Systemet bruger kommercielt tilgængelig teknologi og kan i sidste ende hjælpe med at imødekomme behovet for natbelysning i byområder eller give belysning i udviklingslande.
Selvom solenergi giver mange fordele, afhænger brugen af den i høj grad af fordelingen af sollys, som kan være begrænset mange steder og er fuldstændig utilgængelig om natten. Systemer, der lagrer energi produceret i løbet af dagen, er typisk dyre, hvilket øger omkostningerne ved at bruge solenergi.
For at finde et billigere alternativ kiggede forskere ledet af Shanhui Fan fra Stanford University efter strålingskøling. Denne tilgang bruger temperaturforskellen som følge af varme absorberet fra den omgivende luft og den strålende køleeffekt af kolde rum til at generere elektricitet.
I The Optical Society (OSA) tidsskrift Optics Express demonstrerer forskerne teoretisk en optimeret strålingskølingstilgang, der kan generere 2,2 watt pr. kvadratmeter med en tagterrasse, der ikke kræver et batteri eller nogen ekstern energi. Dette er omkring 120 gange den mængde energi, der er blevet eksperimentelt demonstreret og nok til at forsyne modulære sensorer som dem, der bruges i sikkerheds- eller miljøapplikationer.
"Vi arbejder på at udvikle højtydende, bæredygtig belysningsgenerering, der kan give alle - inklusive dem i udviklings- og landdistrikter - adgang til pålidelige og bæredygtige billige belysningsenergikilder," sagde Lingling Fan, førsteforfatter til papiret."En modulær energikilde kan også drive off-grid sensorer, der bruges i en række forskellige applikationer og bruges til at konvertere spildvarme fra biler til brugbar strøm."
Maksimering af strømproduktion
En af de mest effektive måder at generere elektricitet på ved hjælp af strålingskøling er at bruge en termoelektrisk strømgenerator. Disse enheder bruger termoelektriske materialer til at generere strøm ved at konvertere temperaturforskellene mellem en varmekilde og enhedens kølige side eller radiative køler til en elektrisk spænding.
I det nye arbejde optimerede forskerne hvert trin i termoelektrisk strømproduktion for at maksimere strømproduktion om natten fra en enhed, der ville blive brugt på et tag. De forbedrede energihøsten, så mere varme strømmer ind i systemet fra den omgivende luft og inkorporerer nye kommercielt tilgængelige termoelektriske materialer, der forbedrer, hvor godt denne energi bruges af enheden. De beregnede også, at en termoelektrisk strømgenerator, der dækker en kvadratmeter af en tagterrasse, kunne opnå den bedste afvejning mellem varmetab og termoelektrisk konvertering.
"En af de vigtigste nyskabelser var at designe en selektiv emitter, der er fastgjort til den kølige side af enheden," sagde Wei Li, et medlem af forskerholdet. "Dette optimerer den strålingskølende proces, så strømgeneratoren mere effektivt kan slippe af med overdreven varme."
Forskerne demonstrerede den nye tilgang ved at bruge computermodellering til at simulere et system med realistiske fysiske parametre. Modellerne gengav tidligere eksperimentelle resultater trofast og afslørede, at det optimerede system designet af forskerne kunne komme tæt på, hvad der er blevet beregnet som den maksimale effektivitet ved brug af termoelektrisk konvertering.
Ud over at udføre eksperimenter undersøger forskerne også optimale designs til drift af systemet i dagtimerne, ud over natten, hvilket kan udvide de praktiske anvendelser af systemet.
Dette arbejde er støttet af U. S. Department of Energy under bevilling nr. DE-FG02-07ER46426.
