Panele fotowoltaiczne, które pracują w nocy

Fotowoltaika pozwa­la pro­du­ko­wać prąd, kie­dy świe­ci na nią słoń­ce. Standardowe ogni­wa foto­wol­ta­icz­ne (PV) wytwa­rza­ją ener­gię tyl­ko w cią­gu dnia. Udowodniono jed­nak, że pane­le foto­wol­ta­icz­ne pra­co­wać mogą tak­że w nocy.

Opracowanie spo­so­bu na pozy­ski­wa­nie z ogniw foto­wol­ta­icz­nych ener­gii w nocy wyeli­mi­nu­je potrze­bę prze­cho­wy­wa­nia jej w bate­riach lub sys­te­mach elek­tro­ener­ge­tycz­nych. Nic więc dziw­ne­go, że pro­wa­dzo­ne są nad tym bada­nia. To dobre roz­wią­za­nie wszę­dzie tam, gdzie nie ma sie­ci elek­trycz­nej, jak i tam, gdzie nie opła­ca się inwe­sto­wać w maga­zyn ener­gii. Opis nowa­tor­skie­go roz­wią­za­nia poja­wił się w Applied Physics Letters.

Eksperyment w Dolinie Krzemowej

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda skon­stru­owa­li ogni­wo foto­wol­ta­icz­ne z gene­ra­to­rem ter­mo­elek­trycz­nym. Termogeneratory umoż­li­wia­ją bez­po­śred­nią kon­wer­sję ener­gii ciepl­nej w elek­trycz­ną, wyko­rzy­stu­jąc róż­ni­cę temperatur.

Czytaj tak­że: Statek na słoń­ce poko­nał Atlantyk

Panele foto­wol­ta­icz­ne, któ­re pra­cu­ją w nocy, już wcze­śniej były przed­mio­tem badań. W takich urzą­dze­niach ener­gia jest pozy­ski­wa­na z radia­cyj­ne­go chło­dze­nia ogni­wa foto­wol­ta­icz­ne­go. Do tej pory była to jed­nak nie­wiel­ka ilość. Natomiast naukow­com z Uniwersytetu Stanforda uda­ło się skon­stru­ować tro­chę bar­dziej wydaj­ne urzą­dze­nie. System mógł­by być uży­wa­ny jako cią­głe odna­wial­ne źró­dło ener­gii zarów­no w dzień, jak i w nocy w loka­li­za­cjach poza sie­cią. To oczy­wi­ście na razie jest w fazie eksperymentów. 

Jak pracują panele fotowoltaiczne w nocy?

W cią­gu dnia ogni­wo foto­wol­ta­icz­ne dzia­ła jak sil­nik ciepl­ny, wyko­rzy­stu­jąc Słońce jako źró­dło nagrze­wa­nia i ota­cza­ją­cą Ziemię jako pochła­niacz zim­na. W ten spo­sób prze­kształ­ca pro­mie­nio­wa­nie świetl­ne w ener­gię elek­trycz­ną. Oprócz tego ist­nie­je rów­nież prze­pływ cie­pła z Ziemi do prze­strze­ni kosmicz­nej. Wielkość takie­go wycho­dzą­ce­go stru­mie­nia jest duża, ponie­waż musi on śred­nio zrów­no­wa­żyć napły­wa­ją­cą do nas ener­gię sło­necz­ną, aby Ziemia mogła utrzy­mać swo­ją tem­pe­ra­tu­rę. W ten spo­sób, mając dostęp do nie­ba, każ­dy obiekt na Ziemi może emi­to­wać cie­pło w prze­strzeń kosmicz­ną, co zapew­nia mecha­nizm chło­dze­nia radia­cyj­ne­go – czy­ta­my w artykule.

Przepływ cie­pła wystę­pu­je zarów­no w nocy, jak i w cią­gu dnia. Taki efekt chło­dze­nia radia­cyj­ne­go wzbu­dził duże zain­te­re­so­wa­nie uczo­nych, ponie­waż pozy­ski­wa­nie takie­go prze­pły­wu jest szcze­gól­nie inte­re­su­ją­ce dla noc­ne­go wytwa­rza­nia ener­gii. Eksperymenty były i są pro­wa­dzo­ne, m.in. na innych mate­ria­łach niż krzem. 

Zwykłe ogni­wo sło­necz­ne wytwa­rza ener­gię poprzez pochła­nia­nie świa­tła sło­necz­ne­go, co powo­du­je poja­wie­nie się napię­cia na urzą­dze­niu i prze­pływ prą­du. W tych nowych urzą­dze­niach prąd i napię­cie idą w prze­ciw­nym kie­run­ku, ale nadal wytwa­rzasz ener­gię. Musisz użyć róż­nych mate­ria­łów, ale fizy­ka jest taka sama.

Jeremy Munday, pro­fes­sor in the Department of Electrical and Computer Engineering at UC Davis

Ile energii pozyska panel słoneczny? 

Natomiast stan­dar­do­wy panel foto­wol­ta­icz­ny gene­ru­je sil­ny efekt chło­dze­nia radia­cyj­ne­go w nocy. Zespół Uniwersytetu Stanforda wyka­zał więc, że ogni­wo foto­wol­ta­icz­ne z gene­ra­to­rem ter­mo­elek­trycz­nym (TEG) może pro­du­ko­wać ener­gię w nocy. Natomiast w cią­gu dnia dzia­ła odwrot­nie i dostar­cza dodat­ko­wą ener­gię do kon­wen­cjo­nal­ne­go ogni­wa słonecznego. 

Uczeni poda­ją, że osią­gnę­li gene­ra­cję 50 mW/​m2 ener­gii w nocy przy bez­chmur­nym nie­bie, przy napię­ciu w obwo­dzie otwar­tym 100 mV. Jest to więc odro­bi­na ener­gii, wystar­cza­ją­ca do zasi­la­nia np. dio­dy LED. Dla porów­na­nia pane­le foto­wol­ta­icz­ne w stan­dar­do­wych warun­kach tech­nicz­nych bada się przy nasło­necz­nie­niu wiel­ko­ści 1000 W/​m2. Badanie Uniwersytetu Stanforda pro­wa­dzo­no w paź­dzier­ni­ku 2021 r.