Небето над Станфорд, Калифорния, беше необичайно ясно за няколко нощи миналия октомври. Това беше страхотна новина за изследователя Сид Асававорарит и неговите колеги.
Асававорарит не е астроном, благодарен, че облаците не са попречили на звездната светлина да пътува през атмосферата и да достигне до огледалото на неговия телескоп. Като електроинженер, той приветства безоблачните нощи по съвсем различна причина: ясна нощ означава, че инфрачервената светлина от повърхността на слънчевите панели може свободно да излъчва в космоса.
Този поток от енергия позволява на устройството, създадено от него и неговите колеги – обикновен слънчев панел, оборудван с термоелектричен генератор – да генерира малко количество електричество от разликата в температурата между околния въздух и повърхността на слънчев панел.
През нощта слънчевите панели излъчват фотони
Новата технология се възползва от изненадващ факт за слънчевите панели.
„През деня има светлина, която идва от Слънцето и зарежда слънчевата клетка, но през нощта се случва обратното“, казва Асававорарит.
Това е така, защото слънчевите панели – като всичко по-топло от абсолютната нула – излъчват инфрачервено лъчение.
„Всъщност светлината излиза от слънчевия панел, а ние я използваме за генериране на електричество през нощта. Фотоните, излитащи в нощното небе, всъщност охлаждат слънчевата клетка“, казва той.
Когато тези фотони напускат насочената към небето повърхност на слънчевия панел, те носят топлина със себе си. Това означава, че в ясна нощ – когато няма облаци, които да отразяват инфрачервената светлина обратно към Земята – повърхността на слънчевия панел ще бъде с няколко градуса по-хладна от въздуха около него.
Тази температурна разлика е това, от което Асававорарит и неговите колеги се възползват. Устройство, наречено термоелектричен генератор, може да улови част от топлината, протичаща от по-топлия въздух към по-хладния слънчев панел и да я преобразува в електричество.
В ясна нощ устройството Асававорарит, тествано на покрива на Станфорд, генерира приблизително петдесет миливата за всеки квадратен метър слънчев панел (50 mW/m2).
„Мисля, че това невероятно“, казва той. Но Асававорарит и неговият екип не спират дотук. Той казва, че с някой подобрения устройството може да генерира два пъти повече електроенергия.
„Теоретичната граница вероятно е около един или два вата на квадратен метър“, казва той. „Това не е толкова много, но има много неща, за които този вид енергия през нощта би бил полезен.“
Например, голяма част от населението на света – приблизително един милиард души – няма достъп до електрическа мрежа. Хората, живеещи в тази ситуация, „могат да разчитат на слънчева енергия през деня, но през нощта нямат алтернатива“, казва той.
За разлика от батериите, които се разграждат значително след няколко хиляди цикъла на зареждане, видът на термоелектричните генератори, използвани в тези слънчеви панели, са в твърдо състояние, „така че животът им е почти вечен“, казва той.
Друга добра употреба на технологията е захранването на огромната мрежа от сензори за околната среда, които изследователите използват, за да следят всичко – от метеорологичните условия до инвазивните видове в далечни краища на земното кълбо.
„Ако успеем да достигнем до ват на квадратен метър, това би било много привлекателно от гледна точка на разходите“, казва Асававорарит.
Изобретението използва източник на енергия, който често се пренебрегва
Земята непрекъснато получава огромно количество енергия от Слънцето в размер на 173 000 теравата. Облаците, частиците в атмосферата и отразяващите повърхности (като покрити със сняг планини) веднага отразяват 30% от тази енергия обратно в космоса. Останалата част от него затопля земята, океаните, облаците, атмосферата и всичко останало на планетата.
Но тази енергия не остава тук. С изключение на допълнителната топлина, която парниковите газове улавят, Земята изпраща приблизително толкова енергия, колкото получава. Ето защо планетата излъчва наистина умопомрачително количество енергия като инфрачервено лъчение.
„Това е нещо като светлина“, казва Асававорарит. Инфрачервеното лъчение, което се излъчва от топлата Земя (или нещо друго), има дължини на вълната, които са твърде дълги, за да ги видим с очи, но носят енергия.
Това, което Асававорарит и неговите колеги са направили, е да измислят нов начин за улавяне на тази енергия, когато тя напуска планетата.
Те не са първите, които използват термоелектричен генератор за улавяне на този вид енергия. Интегрирането на тази нова технология със слънчеви панели, които генерират електричество през деня, е важна стъпка напред, за да направят възможно обикновените хора да уловят тази енергия за себе си.
Всичко се свежда до радиационно охлаждане
Съвременните учени едва ли са първите, които забелязват, че повърхност, насочена към безоблачното нощно небе, може да стане по-студена от въздуха около нея. Явлението се нарича радиационно охлаждане.
„Ако температурата на околната среда е няколко градуса над нулата, температурата на тревата всъщност е по-ниска“, казва Асававорарит. „Ако тревата е с няколко градуса под температурата на околната среда, а тя е малко над нулата, тогава тревата всъщност може да е под точката на замръзване.“
Това е странен феномен, който се случва само когато небето е ясно, защото облаците затоплят земята, като отразяват инфрачервената светлина обратно към земната повърхност.
„Няма как да го видите, защото се случва в дължина на вълната, която е невидима за хората, но радиационно охлаждане се случва през цялото време.“, казва Асававорарит.
Разработването на тази технология поставя няколко инженерни предизвикателства
Разбирането на физиката зад тези нощни слънчеви панели е само част от битката. Инженерите работят от години, за да ги направят достатъчно ефективни, за да си струват за употреба в реалния свят.
Асававорарит и неговите колеги започват да работят върху това по време на пандемията.
След месеци на анализиране на числата, първият експеримент на екипа показва, че ранните итерации на устройството произвеждат около една десета от количеството електроенергия, което те очакват.
Оказа се, че един голям проблем им пречи. „Слънчевата клетка всъщност не е много добър топлопроводник“, казва Асававорарит.
Инженерите осъзнават, че енергията, излизаща от ръбовете на слънчевия панел, не допринася много за енергийната мощност на системата, тъй като топлинната енергия не може лесно да преминава през самата слънчева клетка.
„Поглеждайки назад, звучи просто“, казва той. „Но в онзи момент не беше толкова очевидно.“
Инженерите решават проблема, като прикрепят слънчевата клетка директно към алуминиева плоча, която провежда енергията много по-ефективно.
„Това беше нещо като прозрение“, казва Асававорарит.
Източник: InterestingEngineering
