Ученые разработали недорогой автономный модульный источник энергии, который может эффективно производить энергию в ночное время. Для системы используются технологии, уже имеющиеся на рынке. В конечном счете, она позволит удовлетворить потребность в ночном освещении в городских районах или обеспечить светом развивающиеся страны.
Одним из наиболее популярных источников энергии является солнечная. Однако для ее использования необходим солнечный свет, которого в некоторых местах не хватает, а ночью его нет вовсе. Системы, накапливающие энергию, производимую в течение дня, обычно дороги, что увеличивает стоимость использования солнечной энергии.
В поисках более подходящих альтернатив исследователи из Стэнфордского университета во главе с Шанхуэем Фаном обратились к радиационному охлаждению. Этот подход использует разницу температур в результате поглощения тепла из окружающего воздуха и эффект лучистого охлаждения для выработки электроэнергии. Свои результаты ученые представили в журнале Optics Express.
Они, с теоретической точки зрения, продемонстрировали оптимизированный подход к радиационному охлаждению, который может генерировать 2,2 Вт на квадратный метр с помощью устройства на крыше, не требующего батареи или какой-либо внешней энергии. Это примерно в 120 раз больше энергии, чем демонстрировалось в рамках экспериментов. Ее хватит для питания модульных датчиков.
«Мы работаем над созданием высокоэффективных и устойчивых источников освещения, которые могут дать свет в любом месте, в том числе в развивающихся районах, где нет доступа к надежным источникам энергии», – рассказывает Линглинг Фан, первый автор статьи. «Модульный источник энергии можно использовать для запитывания датчиков приложений, преобразования отработанного тепла от автомобилей в полезную энергию».
Выработка энергии по максимуму
Одним из наиболее эффективных способов выработки электроэнергии с использованием радиационного охлаждения является использование термоэлектрического генератора энергии. Для создания таких устройств применяются термоэлектрические материалы. Энергия получается путем преобразования разницы температур между источником тепла и охлаждающей стороной устройства, или радиационным охладителем, в электрическое напряжение.
В новой работе исследователи провели оптимизацию каждого этапа выработки энергии, для получения максимальных показателей в ночное время. Испытывалось устройство, которое будет использоваться на крыше. Они улучшили сбор энергии, поэтому система получает больше тепла из окружающего воздуха. Для нее используются новые термоэлектрические материалы, уже присутствующие на рынке, которые повышают эффективность использования этой энергии устройством. Они также подсчитали, что термоэлектрический генератор энергии, покрывающий один квадратный метр крыши, может обеспечить максимальный баланс между потерями тепла и термоэлектрическим преобразованием.
«Важное нововведение – селективный излучатель, закрепляющийся на охлаждающей стороне устройства», – рассказывает Вэй Ли, член группы ученых. «Это позволяет сделать процесс радиационного охлаждения более оптимальным. Генератор в итоге эффективнее избавляется от чрезмерного тепла».
Для демонстрации нового подхода использовалось компьютерное моделирование с реалистичными физическими параметрами. Моделям удалось воспроизвести результаты, полученные в рамках прошлых экспериментов. Кроме того, было продемонстрировано, что система после оптимизации приблизилась к максимальной эффективности с использованием термоэлектрического преобразования.
Помимо проведения экспериментов, ученые также изучают оптимальные конструкции для работы системы в дневное время в дополнение к ночному, что может расширить ее практическое применение.