Дроны, сутками висящие в воздухе без посадки? Это может стать реальностью благодаря новой технологии получения энергии. Речь идет об устройстве, с рекордной эффективностью собирающем энергию, “потерянную” солнечной батареей, и превращающему ее в электрическую. Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале PNAS группой во главе с Эли Яблоновичем (Eli Yablonovitch) из Калифорнийского университета в Беркли.

Как известно, солнечные батареи используют по назначению далеко не весь падающий на них свет. Инженеры упорно борются за их эффективность. Если стандартные кремниевые фотоэлементы лишь 15% энергии света преобразуют в электрическую, то в новейших разработках эта цифра достигает уже 40%. Но и такой показатель означает, что 60% энергии теряется.

Что с ней происходит? Она поглощается веществом батареи без выработки электричества и нагревает его. Но, как и всякое нагретое тело, фотоэлемент излучает эту энергию в виде инфракрасных фотонов. Именно их действие испытывает рука, поднесённая к батарее отопления (сбоку, чтобы не мешал поток тёплого воздуха).

Довольно давно специалисты предложили собирать эти фотоны и использовать их для выработки электроэнергии. Для этого нужен аналог фотоэлемента, но работающий не на квантах видимого света, а на инфракрасном излучении. Такие устройства называются термофотовольтаическими (thermophotovoltaic) элементами, или ТВЭ.

Получается двухступенчатая схема. Солнечная батарея собирает столько энергии, сколько может, а оставшуюся излучает в виде инфракрасных фотонов. ТВЭ “подбирает просыпанное”, поглощая эти фотоны и вырабатывая электричество.

Идеально? Нет. Дело в том, что и ТВЭ упускает большую часть падающей на него мощности. Причем устройство в этом “не виновато”.

Поясним. Среди инфракрасных фотонов, испускаемых источником тепла (в данном случае нагревшейся при работе солнечной батареей), есть кванты с самой разной энергией. Фотоны и кванты в данном случае – это одно и то же. Но ток в ТВЭ вырабатывают только достаточно высокоэнергетические фотоны. Все остальные – “отбракованное сырье”.

Лучшие решения из существующих на сегодняшний день преобразуют в электрическую лишь 23% энергии падающего на них инфракрасного излучения. (Правда, демонстрировались и большие цифры, но лишь при температурах нагревателя выше 2000 °C, а это выше температуры плавления стали).

Авторы нового исследования побили этот рекорд, державшийся 15 лет, добившись цифры в 29%. И сделали они это с помощью хода, гениального в своей простоте: просто разместили позади ТВЭ зеркало.

Зеркало отражает “потерянные” ТВЭ фотоны обратно в источник тепла (в данном случае – работающую солнечную батарею). Поглощая их, фотоэлемент снова излучает фотоны, часть которых уже имеет достаточно высокую энергию, чтобы сработал термофотовольтаический элемент.

Таким образом, ТВЭ как бы говорит источнику тепла: “Ты дал мне много плохих (низкоэнергетических) фотонов, я не могу ими воспользоваться. Возвращаю их обратно тебе. Переделай хотя бы часть из них в высокоэнергетические, пожалуйста”. И тот действительно “переделывает”.

раскаленная графитовая лента в качестве источника тепла

В качестве источника тепла использовалась раскалённая графитовая лента.
Фото Luis M. Pazos Outon, UC Berkeley.

 

В экспериментах использовался ТВЭ из арсенида индия–галлия (InGaAs) и золотое зеркало. В качестве источника тепла применялась графитовая лента, раскалённая электрическим током до 1207 °С. Адаптация такого ТВЭ с зеркалом к улавливанию инфракрасных фотонов, испущенных солнечной батареей (которая, разумеется, гораздо холоднее), возможно, потребует отдельных исследований.

Между тем, по расчетам авторов, эффективность ТВЭ в 29% – отнюдь не предел. Так, они собираются увеличить отражательную способность зеркала, добавив к золоту слой диэлектрика.

“Просто увеличив отражательную способность [зеркала], мы получим 36-процентную эффективность. Но мы знаем, что можем достичь 50-процентной эффективности, внеся другие изменения в [термофотовольтаический] элемент с использованием проверенных в научной литературе методов”, – обещает первый автор статьи Зунаид Омаир (Zunaid Omair), также из Калифорнийского университета в Беркли.

К слову, самые эффективные модели солнечных батарей тоже используют заднее зеркало, чтобы возвращать прошедшие мимо них фотоны видимого света. Таким образом, одно и то же зеркало может приносить двойную пользу, возвращая фотоэлементу упущенный свет, а ТВЭ – инфракрасное излучение.

По мысли авторов, подобные технологии в перспективе помогут создать беспилотники, которые держатся в воздухе несколько дней, космические зонды, которым хватает энергии на столетия, и миниатюрные батареи, обеспечивающие электричеством жилой дом.

“Термофотовольтаики компактны и чрезвычайно эффективны в широком спектре [вариантов] применения: от тех, которые требуют всего 100 ватт, как лёгкий беспилотный летательный аппарат, до тех, что [требуют] 100 мегаватт и [обеспечивают] электричеством 36 тысяч домов”, – утверждает Яблонович.

дрон с инновационной установкой

Дрон с установленной на нем новой фотовольтаической установкой /©Noah Berger

___
Источник: nauka.vesti.ru