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Bessere thermische Photovoltaik
Ein neuer Ansatz zur Umwandlung von Wärme in Strom mithilfe von Solarzellen könnte eine Technologie namens thermische Photovoltaik (TPVs) praktischer machen. MTPV , ein Startup mit Sitz in Boston, das 10 Millionen US-Dollar gesammelt hat, sagt, dass es Prototypen entwickelt hat, die groß genug für praktische Anwendungen sind. Das Unternehmen kündigte kürzlich Vereinbarungen an, die Geräte in Glashütten zur Stromerzeugung aus heißen Abgasen zu installieren.
Hot-Spot: Ein mikroskopischer Abstandshalter, der verwendet wird, um Solarzellen weniger als einen Mikrometer über einem anderen Material in einer thermischen Photovoltaikvorrichtung zu tragen.
Im Allgemeinen verwendet die thermische Photovoltaik Solarzellen, um das Licht, das von einer heißen Oberfläche abgestrahlt wird, in Strom umzuwandeln. Während die ersten Anwendungen die Stromerzeugung aus Abwärme sein werden, könnte die Technologie schließlich dazu verwendet werden, Strom aus Sonnenlicht viel effizienter zu erzeugen als Solarmodule. In einem solchen System wird Sonnenlicht auf ein Material konzentriert, um es zu erhitzen, und das von ihm emittierte Licht wird dann von einer Solarzelle in Strom umgewandelt.
Bisher war die Technologie für kommerzielle Anwendungen nicht praktikabel, teils wegen der erforderlichen hohen Temperaturen und teils wegen der Konkurrenz durch bestehende Technologien wie Dampfturbinen zur Umwandlung von Wärme in Strom. Die Innovation von MTPV ist eine Methode, um den Photonenfluss vom erhitzten Material zum Solarpanel im Vergleich zu typischen thermischen Photovoltaiksystemen um das Zehnfache zu erhöhen, was seine Systeme kleiner, kostengünstiger und bei niedrigeren Temperaturen praktisch machen könnte, sagt Robert DiMatteo, MTPVs CEO.
Ein herkömmliches Solarpanel absorbiert Licht aus dem gesamten Spektrum, wandelt jedoch nur bestimmte Farben effizient um. Ein Großteil der Energie in den anderen Wellenlängen des Lichts geht verloren. Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer herkömmlichen Solarzelle beträgt somit 30 Prozent, beziehungsweise 41 Prozent, wenn das Sonnenlicht zuerst mit einem Spiegel oder einer Linse gebündelt wird. In einer thermischen Photovoltaikanlage wird Licht auf ein Material konzentriert, um es zu erhitzen. Das Material ist so ausgewählt, dass es bei Hitze Licht mit Wellenlängen emittiert, die eine Solarzelle effizient umwandeln kann. Damit beträgt der theoretische maximale Wirkungsgrad einer thermischen Photovoltaikanlage 85 Prozent.
In der Praxis werden die technischen Herausforderungen dies erschweren, aber DiMatteo sagt, dass die Computermodelle des Unternehmens darauf hindeuten, dass Wirkungsgrade von über 50 Prozent möglich sein sollten. Die Prototypen sind nicht so effizient: Sie wandeln etwa 10 bis 15 Prozent der Wärme, die sie aus den Abluft der Glasfabrik aufnehmen, in Strom um, was laut DiMatteo ausreicht, um die Geräte wirtschaftlich zu machen. (Der erwartete Wirkungsgrad von TPV-Geräten ist auch viel höher als der erwartete Wirkungsgrad von thermoelektrischen Geräten, die Wärme direkt in Strom umwandeln.)
Der Hauptunterschied zwischen der MTPV-Technologie und anderer thermischer Photovoltaik besteht in der Positionierung der Solarzelle und des beheizten Materials (MTPV steht für Micron-Gap-TPVs). In seiner Arbeit, zunächst als Student am MIT und später als Forscher an den Draper Laboratories in Cambridge, MA, fand DiMatteo heraus, dass durch die extreme Nähe des erhitzten Materials zur Solarzelle weit mehr Photonen aus einem bestimmten Bereich des Materials entweichen und von der Solarzelle absorbiert.
Bei einem herkömmlichen TPV-System werden die meisten der im erhitzten Material erzeugten Photonen beim Erreichen seiner Oberfläche in das Material zurückreflektiert; Es ist das gleiche Phänomen, das Licht in Glasfaserkabeln einfängt. Wenn die Solarzelle und das erhitzte Material so nah zusammengebracht werden, dass der Abstand zwischen beiden kürzer ist als die Wellenlänge des emittierten Lichts, reflektiert die Oberfläche kein Licht mehr zurück. Die Photonen wandern von einem Material zum anderen, als ob es keine Lücke zwischen ihnen gäbe. Der enge Abstand ermöglicht auch, dass Elektronen auf einer Seite der Lücke Energie auf Elektronen auf der anderen Seite übertragen. (Ein Vakuum zwischen dem erhitzten Material und der Solarzelle hält einen Temperaturunterschied zwischen den beiden aufrecht, der erforderlich ist, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen.) Da das erhitzte Material mehr Photonen emittiert, kann die Solarzelle für eine gegebene Fläche 10-mal so viel Strom erzeugen, im Vergleich zu einer Solarzelle in einem herkömmlichen TPV.
Dadurch kann ein Zehntel so viel Solarzellenmaterial verwendet werden, was die Kosten deutlich senkt. Alternativ ist es möglich, bei niedrigeren Temperaturen mehr Strom zu erzeugen, was Peter Peumans , Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, nennt einen der Hauptvorteile des Ansatzes. Konventionelle thermische Photovoltaik könne Temperaturen von 1.500 °C erfordern, sagt er. Die ersten Prototypen von MTPV funktionieren gut bei weniger als 1.000 °C, und DiMatteo sagt, dass die Technologie theoretisch Strom bei Temperaturen von nur 100 °C wirtschaftlich erzeugen könnte. Dieser große Temperaturbereich könnte die Technologie für die Stromerzeugung aus Wärme aus verschiedenen Quellen, einschließlich Autoabgasen, die ansonsten verschwendet würden, attraktiv machen.
Peumans sagt jedoch, dass die Technologie einen Kompromiss hat: Da das erhitzte Material und die Solarzelle so nahe beieinander liegen, ist es nicht möglich, einen Filter dazwischen zu setzen, um die Wellenlängen des Lichts, das die Solarzelle erreicht, abzustimmen. Dies könnte die letztendliche Effizienz, die das System erreichen kann, einschränken.
DiMatteo veröffentlichte Ende der 1990er Jahre erstmals Arbeiten zum MTPV-Konzept, aber es dauerte bis jetzt, Prototypen zu entwickeln, die groß genug waren, um praktikabel zu sein. Eine große Herausforderung bestand darin, Wege zu finden, einen Spalt zu schaffen, der nur ein Zehntel Mikrometer groß ist und dennoch über die relativ großen Flächen, die für ein praktisches Gerät benötigt werden, beibehalten werden kann. DiMatteo sagt, dass das Unternehmen die Leistung der Geräte verbessern wird, indem es die Lücke stetig kleiner macht, was Computermodelle vermuten lassen, dass es die Effizienz verbessern wird.