Американские учёные заявляют о 15-кратном повышении производительности солнечного термоэлектрического генератора

Аккумуляторная батарея Challenger T105 (6V 180/208Ah)

Исследовательская группа создала солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ), который, как сообщается, в 15 раз эффективнее современных устройств. Это стало возможным благодаря тому, что основное внимание уделялось управлению горячей и холодной сторонами устройства, а не его полупроводниковым материалам.

Ученые из Рочестерского университета в США создали солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ), который, как сообщается, в 15 раз эффективнее современных устройств.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) может преобразовывать тепло в электричество за счёт «эффекта Зеебека», который возникает, когда разница температур между двумя разными полупроводниками приводит к разнице напряжений между двумя веществами. Эти устройства обычно используются в промышленности для преобразования избыточного тепла в электричество. Однако их высокая стоимость и ограниченная производительность до сих пор препятствуют их широкому распространению.

«В настоящее время большинство солнечных термоэлектрических генераторов преобразуют в электричество менее 1 % солнечного света, в то время как у бытовых солнечных панелей этот показатель составляет примерно 20 %», — заявили исследователи, добавив, что для коммерческого масштабирования необходимы лёгкие селективные поглотители солнечного излучения (SSA) и теплоотводы для горячей и холодной сторон STEG соответственно.

Новизна их подхода заключалась в том, что они сосредоточились на горячей и холодной сторонах устройства, а не на полупроводниковых материалах, как в предыдущих исследованиях.

Они разработали устройство с использованием собственной технологии чёрного металла, которая превращает блестящие металлы в угольно-чёрный цвет. С помощью фемтосекундных лазерных импульсов они преобразуют вольфрам таким образом, чтобы он избирательно поглощал свет в диапазоне солнечных волн и меньше рассеивал тепло в других диапазонах. Сообщается, что это позволяет увеличить выработку тепловой энергии на 130 % по сравнению с необработанным вольфрамом

«Мы накрыли чёрный металл куском пластика, чтобы сделать мини-теплицу, как на ферме, — рассказал ведущий автор исследования Чунлей Го. — Можно свести к минимуму конвекцию и теплопроводность, чтобы удерживать больше тепла и повышать температуру на горячей стороне».

Что касается холодной стороны, то учёные также использовали фемтосекундные лазерные импульсы для обработки алюминия и создания теплоотвода с крошечными структурами, которые улучшали рассеивание тепла за счёт излучения и конвекции.

«При использовании системы терморегулирования как на горячей, так и на холодной стороне, с минимизированными радиационными и конвективными теплопотерями на горячей стороне и повышенной радиационной и конвективной охлаждающей способностью на холодной стороне, больше солнечной энергии проходит через STEG и используется им, — подчеркнули они. — Это приводит к повышению температуры в STEG и, следовательно, к увеличению выходной мощности более чем в 15 раз при сохранении компактности устройства и увеличении веса всего на 25 %».

Система была представлена в исследовании «15-кратное увеличение производительности солнечного термоэлектрического генератора за счёт спектральной инженерии фемтосекундных лазеров и управления температурным режимом», опубликованном в журнале Light: Science and Applications.

«STEG могут найти применение в качестве источников питания для авионики, беспроводных сенсорных сетей, носимой электроники и медицинских датчиков», — заключили учёные.