Energie a elektrotechnika
Nový typ solárního článku mění na elektřinu světlo i teplo
Nový typ solárních článků, které transformují v elektřinu jak světlo, tak i teplo, na které se promění jinak nevyužitelná část slunečního záření, by mohl být cestou k efektivnějšímu využití této volně dostupné energie.
Alespoň to tvrdí kalifornští vědci, kteří si dali svůj kombinovaný systém výroby elektrického proudu pro jistotu patentovat. Kdyby se jim i v praxi podařilo dosáhnout teoreticky odhadovanou účinnost až 60 % při finančních nákladech srovnatelných s fosilními zdroji (na 1 kWh vyprodukované energie).
U standardních polovodičových fotovoltaických buněk energie dopadajících fotonů umožní valenčním elektronům v katodě vymanit se z elektromagnetického vězení atomů a nasměrovat si to k anodě. Na tento účel se ze slunečního záření dá využít jenom část spektra. Většina fotonů se buď odrazí, nebo proměňuje na teplo, které účinnost článků snižuje.
Pak je ještě jiná možnost – sluneční energii koncentrovat a využít na ohřev. Již v roce 1883 Thomas Alva Edison zjistil, že rozžhavený kov emituje volné elektrony. Až o třicet let později, v r. 1915, W. Schlichter navrhl, jak by se tento jev dal využít pro výrobu elektřiny, ale na uskutečnění tohoto cíle si lidstvo počkalo dalších 40 let. I když v šedesátých až osmdesátých letech 20. století zejména Američané a Sověti pracovali, dokonce i spolupracovali na vývoji termionických konvertorů, které využívali například v astronautice, pro nízkou efektivitu se jako zdroj energie tento způsob nerozšířil.
Nick Melosh a jeho kolegové z americké Stanford University nyní v časopisu Nature Materials publikovali článek o prvních testech nového typu zařízení, jež spojuje oba procesy – fotovoltaický i termionický. Energie fotonů uvolňuje elektrony z katody přímo, i proměněná na teplo. Zdá se to být logické a tak se nabízí otázka, proč doposud to nikdo takto neskloubil? Není to tak jednoduché, jak se na první pohled zdá. Fotovoltaickým článkům teplota nesvědčí a nad 100 oC prudce klesá jejich účinnost. Klasické termionické měniče jsou jakž-takž efektivní (20 %) až nad 1000 oC a na dosažení této teploty se musí fokusovat intenzivní sluneční světlo z poměrně velké plochy. Navíc anoda, na rozdíl od žhavené katody, musí být mnohem chladnější a obě elektrody musí být uzavřené ve vakuové komoře. Kombinovaný systém, který vědci ze Standfordské university vyvinuli a pojmenovali PETE - Photon enhanced termionic emission, by měl po zdokonalení dosáhnout celkem zajímavé hodnoty účinnosti již nad 200 oC a maximum již pod 1000 oC. To je pro běžné fotovoltaické systémy moc a pro termionické málo.
I když mediální zprávy (jako obvykle) mírně přehánějí a předpovídají slibnou budoucnost, zůstaňme zatím nohama na zemi a řekněme si holou pravdu: i když Melosh a jeho kolegové mluví o možné účinnosti PETE 50 až 60 %, sami zatím v laboratoři nedosáhli ani celé procento. Ale dosavadní experimenty jsou prvním krokem na cestě, jejíž směr se zdá být nadějný. Alespoň pro oblast slunné Kalifornie. Vědci při teplotách mezi 200 a 400 oC zkoumali závislost efektivity nového systému od složení katody, její teploty a vlnové délky světla, kterým ji ozařovali. Nejlépe se osvědčila vrstvičkou cesia pokrytá elektroda z nitridu galia GaN. Jde o polovodičový materiál běžně používaný ve svítících diodách, takzvaných LED-kách (light emitting diode). Meloshův tým ale má v plánu vyzkoušet další polovodiče, například arsenid galia, nebo technické diamanty s vnitřní strukturou obohacenou atomy fosforu, nebo slitiny germania s křemíkem.
První, již v praxi využitelné prototypy PETE článků by měly být k dispozici již za tři roky, což je Meloshův dosti odvážný závazek. Foto-termočlánky nebudou součástí rovných ploch, jaké známe u solárních panelů, ale budou umístěny do ohnisek zrcadlových parabol soustřeďujících sluneční energii do malých terčů. Na tomto principu pracují systémy, které proměňují teplo získané z koncentrovaného záření na mechanickou energii rozpínajícího se plynu (např. vodní páry), který pohání rotor elektrického generátoru. Vypadá to sice archaicky, ale v jižní Kalifornii elektrárna na tento takzvaný Stirlingův systém dosahuje výkon 500 megawattů. A právě PETE systém v ohniscích parabol by prý mohl podstatně zvýšit míru využití fokusované sluneční energie ze současných maximálních 31 % u stávající tepelné konverze, nebo rekordních 42 % u nejkvalitnější fotovoltaiky využívající koncentrované světlo, na zmíněných slibovaných 50 – 60 %. Taková je vize založená na teoretických předpokladech. Účinnost kombinované foto-tepelného PETE tranformačního systému totiž závisí od intenzity světla. Když se parabolou znásobí množství na katodu dopadajícího slunečního záření 100 krát oproti běžnému ozáření v kalifornské pálavě, účinnost by měla být 32%, když 3000 krát, měla by stoupnout na 47 %. Ale i při chabých 20 procentech účinnosti, když se PETE zkombinuje s používaným Stirlingovým elektrickým generátorem, se prý výsledná hodnota vyšplhá na zajímavých 44 %.
Zdroj: Osel.cz
