'Black metal' za proizvodnju solarne energije

U potrazi za energetskom neovisnošću, istraživači su proučavali solarne termoelektrične generatore (STEG) kao obećavajući izvor proizvodnje solarne električne energije. Za razliku od fotonaponskih sustava koji se trenutno koriste u većini solarnih panela, STEG-ovi mogu iskoristiti sve vrste toplinske energije uz sunčevu svjetlost. Jednostavni uređaji imaju vruće i hladne strane s poluvodičkim materijalima između, a razlika u temperaturi između strana generira električnu energiju putem fizičkog fenomena poznatog kao Seebeckov efekt.

No trenutni STEG-ovi imaju velika ograničenja učinkovitosti koja ih sprječavaju da se šire prihvate kao praktičan oblik proizvodnje energije. Trenutno većina solarnih termoelektričnih generatora pretvara manje od 1 posto sunčeve svjetlosti u električnu energiju, u usporedbi s otprilike 20 posto za stambene solarne panele.

Taj jaz u učinkovitosti dramatično je smanjen novim tehnikama koje su razvili istraživači s Instituta za optiku Sveučilišta u Rochesteru. U studiji objavljenoj u časopisu Light: Science and Applications, tim je opisao svoje jedinstvene metode spektralnog inženjeringa i upravljanja toplinom kako bi stvorio STEG uređaj koji generira 15 puta više energije od prethodnih uređaja.

„Desetljećima se istraživačka zajednica usredotočuje na poboljšanje poluvodičkih materijala koji se koriste u STEG-ovima i ostvarila je skromne dobitke u ukupnoj učinkovitosti“, kaže Chunlei Guo, profesor optike i fizike te viši znanstvenik u Rochesterovom laboratoriju za lasersku energetiku. „U ovoj studiji se čak ni ne dotičemo poluvodičkih materijala. Umjesto toga, usredotočili smo se na vruću i hladnu stranu uređaja. Kombiniranjem bolje apsorpcije sunčeve energije i zadržavanja topline na vrućoj strani s boljim odvođenjem topline na hladnoj strani, postigli smo zapanjujuće poboljšanje učinkovitosti.“

Novi, visokoučinkoviti STEG-ovi konstruirani su s tri strategije. Prvo, na vrućoj strani STEG-a, istraživači su koristili posebnu tehnologiju crnog metala razvijenu u Guovom laboratoriju kako bi transformirali obični volfram da selektivno apsorbira svjetlost na solarnim valnim duljinama. Koristeći snažne femtosekundne laserske impulse za jetkanje metalnih površina nanoskalnim strukturama, poboljšali su apsorpciju energije materijala od sunčeve svjetlosti, a istovremeno smanjili rasipanje topline na drugim valnim duljinama.

Drugo, istraživači su „prekrili crni metal komadom plastike kako bi napravili mini staklenik, baš kao na farmi“, kaže Guo. „Možete smanjiti konvekciju i provođenje topline kako biste zadržali više topline, povećavajući temperaturu na vrućoj strani.“

Konačno, na hladnoj strani STEG-a, ponovno su upotrijebili femtosekundne laserske impulse, ali ovaj put na običnom aluminiju, kako bi stvorili hladnjak s malim strukturama koje su poboljšale odvođenje topline zračenjem i konvekcijom. Taj proces udvostručuje performanse hlađenja tipičnog aluminijskog odvodnika topline.

U studiji, Guo i njegov istraživački tim pružili su jednostavnu demonstraciju kako se njihovi STEG-ovi mogu koristiti za napajanje LED dioda puno učinkovitije od trenutnih metoda. Guo kaže da bi se tehnologija mogla koristiti i za napajanje bežičnih senzora za Internet stvari, napajanje nosivih uređaja ili poslužiti za sustave obnovljive energije izvan mreže u ruralnim područjima.