Diese gewöhnlichen Solarmodule erzeugen nachts keinen Strom, zukünftige Iterationen der Technologie könnten dies möglicherweise tun. zhengzaishuru / iStock
Der Himmel über Stanford, Kalifornien, war im vergangenen Oktober mehrere Nächte lang ungewöhnlich klar.
Das war eine gute Nachricht für Forscher Sid Assawaworrarit und seine Kollegen. Diese Bedingungen waren „wahrscheinlich die besten des Jahres“, erzählt er IE.
Assaworrarit ist kein Astronom, der dankbar dafür ist, dass Wolken das Sternenlicht nicht daran gehindert haben, durch die Atmosphäre zu wandern und den Spiegel seines Teleskops zu erreichen. Als Elektroingenieur begrüßte er die wolkenlosen Nächte aus einem ganz anderen Grund: Eine klare Nacht bedeutet Infrarotlichtvon der Oberfläche von Sonnenkollektoren frei in den Weltraum abstrahlen können.
Dieser Energiefluss ermöglicht es dem von Assaworrarit und seinen Kollegen entwickelten Gerät – einem gewöhnlichen Solarpanel, das mit einem thermoelektrischen Generator ausgestattet ist –, eine kleine Menge Strom aus dem geringen Temperaturunterschied zwischen der Umgebungsluft und der Oberfläche eines Solarpanels zu erzeugentief in den Weltraum.
Nachts drehen Sonnenkollektoren den Spieß um und emittieren Photonen
Die neue Technologie nutzt eine überraschende Tatsache über Sonnenkollektoren.
„Tagsüber kommt ein Licht von der Sonne und trifft auf die Solarzelle, aber nachts passiert so etwas wie das Gegenteil“, sagt Assawaworrarit.
Das liegt daran, dass Sonnenkollektoren – wie alles, was wärmer als der absolute Nullpunkt ist – Infrarotstrahlung abgeben.
„Es geht tatsächlich Licht [aus dem Solarpanel] aus, und wir verwenden das, um nachts Strom zu erzeugen. Die Photonen, die in den Nachthimmel gehen, kühlen die Solarzelle tatsächlich ab“, sagt er.
Wenn diese Photonen die himmelwärts gerichtete Oberfläche des Solarmoduls verlassen, tragen sie Wärme mit sich. Das bedeutet, dass in einer klaren Nacht – wenn es keine Wolken gibt, die Infrarotlicht zurück zur Erde reflektieren – die Oberfläche eines Solarmoduls sein wirdein paar Grad kühler als die Luft um ihn herum. Assawaworrarit und seine Kollegen nutzen diesen Temperaturunterschied aus. Ein Gerät namens thermoelektrischer Generator kann einen Teil der Wärme, die von der wärmeren Luft zum kühleren Solarpanel fließt, auffangen und in umwandelnElektrizität.
In einer klaren Nacht erzeugt das auf dem Dach von Stanford getestete Gerät Assawaworrarit etwa fünfzig Milliwatt pro Quadratmeter Solarpanel 50 mW/m2.
„Ich denke, das ist wahrscheinlich eine Rekordzahl“, sagt er. Aber Assawaworrarit und sein Team hören hier nicht auf. Er sagt, dass ein solches Gerät mit ein paar Verbesserungen und an einem guten Standort doppelt so viel erzeugen könnteElektrizität.
„Die theoretische Grenze liegt wahrscheinlich bei etwa ein oder zwei Watt pro Quadratmeter“, sagt er. „Das ist keine große Zahl, aber es gibt viele Anwendungen“, bei denen diese Art von Energie nachts nützlich wäre.
Zum Beispiel hat ein großer Teil der Weltbevölkerung – etwa eine Milliarde Menschen – keinen Zugang zu ein Stromnetz. Menschen, die in dieser Situation leben, „können sich tagsüber auf die Solarenergie verlassen, aber nachts gibt es nicht viel, was sie tun können“, sagt er. Im Gegensatz zu Batterien, die nach einigen tausend Ladezyklen erheblich abbauen, wie die Art von thermoelektrischen Generatoren, die verwendet werdenin diesen Solarmodulen sind Festkörper, „also ist die Lebensdauer so ziemlich ewig“, sagt er.
Eine weitere gute Verwendung für die Technologie ist die Stromversorgung des riesigen Netzwerks von Umweltsensoren, die Forscher verwenden, um alles im Auge zu behalten, von Wetterbedingungen bis hin zu invasiven Arten in weit entfernten Ecken der Welt. Wiederum Sonnenkollektoren, die eine kleine Menge Strom erzeugenNacht könnte den Bedarf an Batterien reduzieren – und die damit verbundenen Wartungs- und Austauschkosten.
„Wenn Sie bis zu einem Watt pro Quadratmeter erreichen können, wäre das aus Kostensicht sehr attraktiv“, sagt Assawaworrarit.
Die Erfindung erschließt eine leicht zu übersehende Energiequelle
Die Erde empfängt ständig eine enorme Menge an Energie von der Sonne, in Höhe von 173.000 Terrawatt. Wolken, Partikel in der Atmosphäre und reflektierende Oberflächen wie schneebedeckte Berge reflektieren sofort 30 Prozent dieser Energie in den Weltraum. Dieder Rest davon erwärmt das Land, die Ozeane, die Wolken, die Atmosphäre und alles andere auf dem Planeten.
Aber diese Energie bleibt nicht hier. Abgesehen von der zusätzlichen Wärme, die Treibhausgase einfangen, als die Menschen seit der industriellen Revolution begannen, reichlich fossile Brennstoffe zu verbrennen, sendet die Erde ungefähr so viel Energie aus, wie sie empfängt. Deshalb diePlanet emittiert eine wirklich überwältigende Menge an Energie als Infrarotstrahlung.
„Es ist eine Art Licht“, sagt Assawaworrarit. Die Infrarotstrahlung, die von der warmen Erde oder irgendetwas anderem ausgeht, hat Wellenlängen, die für das Auge zu lang sind, um sie zu sehen, aber sie trägt Energie. Tatsächlich mehr als die Hälfteder Gesamtmenge an Sonnenenergie, die auf die Erde trifft, durchläuft diesen Prozess und kehrt schließlich in den Weltraum zurück.
Was Assawaworrarit und seine Kollegen getan haben, ist, einen neuen Weg zu finden, diese Energie einzufangen, wenn sie den Planeten verlässt. Sie sind nicht die ersten, die einen thermoelektrischen Generator verwenden, um diese Art von Energie einzufangen IE bedeckte eines der erste große Innovationen in diesem Bereich im Jahr 2019.Durch die Integration dieser neuen Technologie mit Sonnenkollektoren, die tagsüber Strom erzeugen, haben die Forscher einen wichtigen Schritt nach vorne gemacht, um es normalen Menschen zu ermöglichen, diese Energie für sich selbst zu gewinnen.
Alles läuft auf Strahlungskühlung hinaus
Moderne Wissenschaftler sind kaum die ersten Menschen, die bemerken, dass eine Oberfläche, die auf den wolkenlosen Nachthimmel gerichtet ist, kälter werden kann als die Luft um sie herum. Das Phänomen wird als Strahlungskühlung bezeichnet, und Sie haben es wahrscheinlich morgens als erstes selbst gesehen.Es ist am deutlichsten im Gras, nachdem die Temperaturen in die mittleren oder niedrigen 30er gefallen sind, aber nicht ganz unter den Gefrierpunkt.
„Selbst wenn die Umgebungstemperatur ein paar Grad über dem Gefrierpunkt liegt, ist die Temperatur des [Gras]-Blatts tatsächlich niedriger“, Assawaworrarit. „Wenn das Gras ein paar Grad unter der Umgebungstemperatur liegt und die Umgebung leicht über dem Gefrierpunkt liegt, dann könnte das Gras tatsächlich unter dem Gefrierpunkt liegen.“
Es ist ein seltsames wenn auch subtiles Phänomen, das nur auftritt, wenn der Himmel klar ist. Das liegt daran, dass Wolken den Boden erwärmen, indem sie Infrarotlicht zurück auf die Erdoberfläche reflektieren. „Sie werden es nicht sehen können, weil es in einer Wellenlänge passiertMenschen können nicht sehen“, sagt Assawaworrarit, aber es kommt ständig zu Strahlungskühlung.
Moderne Wissenschaftler sind auch nicht die ersten Menschen, die Strahlungskühlung einsetzen. Im Südosten des Iran befinden sich die Überreste von Dutzenden von Eishäusern, Yakhchāls genannt, die die alten Perser nutzten, um das Phänomen auszunutzen. Wenn die Strukturen in Betrieb waren, würden die Menschen es tunGießen Sie Wasser in flache Becken neben den Eishäusern. Selbst wenn die Lufttemperatur in den hohen 30ern oder niedrigen 40ern lag, fror das Wasser. Am Morgen sammelten die Menschen das Eis und überführten es in eine nahe gelegene bienenstockähnliche Strukturverwendet eine andere Reihe von passiven Kühltechniken, um das Eis den ganzen Sommer über unter dem Gefrierpunkt zu halten.
Die Entwicklung dieser Technologie bringt mehrere technische Herausforderungen mit sich
Das Verständnis der Physik hinter diesen nächtlichen Sonnenkollektoren ist nur ein Teil des Kampfes. Ingenieure waren seit Jahren im Einsatz um sie effizient genug zu machen, um sich für den Einsatz in der realen Welt zu lohnen.
Assawaworrarit und seine Kollegen begannen während der Pandemie mit der Arbeit an dem Problem.
„Wir sind am Anfang ziemlich stecken geblieben, weil die tiefe Zahl, die wir früh bekommen haben, bei weitem nicht das war, was wir erwartet haben“, sagt er. Nach Monaten des Knirschens der Zahlen zeigte das erste Experiment des Teams, dass frühe Iterationen desGerät erzeugte etwa ein Zehntel der erwarteten Strommenge.
Es stellte sich heraus, dass ihnen ein großes Problem im Weg stand.
"Eine Solarzelle ist eigentlich kein sehr guter Wärmeleiter," sagt Assawaworrarit. „Darin liegt das Problem.“ Die Ingenieure erkannten, dass die Energie, die an den Rändern des Solarmoduls entweicht, nicht sehr viel zur Energieabgabe des Systems beitrug, da die Wärmeenergie nicht einfach durch die Solarzelle selbst wandern konnte.
"Rückblickend klingt es einfach", sagt er. "Aber zu diesem Zeitpunkt war es nicht offensichtlich."
Die Ingenieure haben das Problem behoben, indem sie die Solarzelle direkt auf einer Aluminiumplatte befestigt haben, die die Energie viel effizienter leitet.
"Das war eine Art Offenbarung", sagt er.