Эффективная система для выработки электроэнергии в ночное время

Исследователи разработали автономный недорогой модульный источник энергии, который может эффективно производить энергию в ночное время. Система использует коммерчески доступные технологии и может в конечном итоге помочь удовлетворить потребность в ночном освещении в городских районах или обеспечить освещение в развивающихся странах.

Хотя солнечная энергия приносит много преимуществ, ее использование сильно зависит от распределения солнечного света, которое может быть ограничено во многих местах и полностью недоступно в ночное время. Системы, накапливающие энергию, производимую в течение дня, обычно дороги, что увеличивает стоимость использования солнечной энергии.

Чтобы найти менее дорогостоящую альтернативу, исследователи во главе с Шанхуэем Фаном (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета обратились к радиационному охлаждению. Этот подход использует разницу температур в результате поглощения тепла из окружающего воздуха и эффект лучистого охлаждения холодного пространства для выработки электроэнергии.

В журнале Optics Express оптического общества (OSA) исследователи теоретически демонстрируют оптимизированный подход к радиационному охлаждению, который может генерировать 2,2 Вт на квадратный метр с помощью устройства на крыше, которое не требует батареи или какой-либо внешней энергии. Это примерно в 120 раз больше энергии, чем было продемонстрировано экспериментально, и ее достаточно для питания модульных датчиков, например, используемых в приложениях безопасности или защиты окружающей среды.

«Мы работаем над созданием высокоэффективных и устойчивых источников освещения, которые могут предоставить каждому, в том числе в развивающихся и сельских районах, доступ к надежным и экологически чистым недорогим источникам энергии для освещения, - сказал Линлин Фан (Lingling Fan), первый автор статьи. - Модульный источник энергии также может питать автономные датчики в различных приложениях и использоваться для преобразования отработанного тепла от автомобилей в полезную энергию».

Одним из наиболее эффективных способов выработки электроэнергии с использованием радиационного охлаждения является использование термоэлектрического генератора энергии. В этих устройствах применяются термоэлектрические материалы для выработки энергии путем преобразования разницы температур между источником тепла и охлаждающей стороной устройства, или радиационным охладителем, в электрическое напряжение.

В новой работе исследователи оптимизировали каждый этап выработки термоэлектрической энергии, чтобы максимально увеличить выработку энергии в ночное время от устройства, которое будет использоваться на крыше. Они улучшили сбор энергии, так что в систему поступает больше тепла из окружающего воздуха, и включили новые коммерчески доступные термоэлектрические материалы, которые повышают эффективность использования этой энергии устройством. Они также подсчитали, что термоэлектрический генератор энергии, покрывающий один квадратный метр крыши, может обеспечить лучший компромисс между потерями тепла и термоэлектрическим преобразованием.

«Одним из наиболее важных нововведений была разработка селективного излучателя, который крепится к охлаждающей стороне устройства, - сказал Вэй Ли (Wei Li), член исследовательской группы. - Это оптимизирует процесс радиационного охлаждения, так что генератор может более эффективно избавляться от чрезмерного тепла».

Исследователи продемонстрировали новый подход, используя компьютеры для моделирования системы с реалистичными физическими параметрами. Модели точно воспроизводили предыдущие экспериментальные результаты и показали, что оптимизированная система, разработанная исследователями, может приблизиться к рассчитанной максимальной эффективности с использованием термоэлектрического преобразования.

Помимо проведения экспериментов, исследователи также изучают оптимальные конструкции для работы системы в дневное время в дополнение к ночному, что может расширить практические применения системы.