A legújabb módszer a napenergia hasznosítására

Számos vívmány és publikáció látott már napvilágot a napenergia jövőbeni hasznosításával kapcsolatban, azonban a fogyasztók ezek eredményeiből – valljuk meg – vajmi keveset érzékelhettek. Mégis, a tudomány termeli az újabbnál újabb ötleteket, mi pedig bemutatjuk őket, bízva abban, hogy hamarosan valamennyiünk számára kézzelfoghatóvá válnak. A most górcső alá vont eszköz azért figyelemreméltó, mert a hagyományos napelemektől eltérően nemcsak a nap fényéből, hanem a velejáró hőből is képes elektromos energiát előállítani.

A Stanford Egyetem kutatói által készített prototípus az izzó bolygó energiáját sokrétűen hasznosítja: a nap fényével egy elektródában elektronokat gerjeszt, melyeket aztán a nap hőjéből származó energia segítségével, egy légüres téren keresztül, másik elektródára történő ugrásra ösztönöz – ezzel elektromos feszültséget generálva. A készülék képes lehet továbbá arra is, hogy a fel nem használt hőt egy gőzgép felé továbbítsa, így a napfény energiájának 50 százalékát alakíthatná villamos energiává – ez hatalmas előrelépés a ma alkalmazott szolár cellák képességéhez viszonyítva.

A legelterjedtebb szilícium alapú napelemek hozzávetőlegesen a nap energiájának 15 százalékát alakítják elektromossággá. A beáramló energia több mint fele hő formájában vész el, hiszen a napelem aktív alkotói a nap színképének csak egy meghatározott spektrumában képesek működésbe lépni – a fotonok adott energiaszint alatt csupán felmelegíteni képesek a cellát.

Az egyik megoldás ennek elkerülésére, az aktív anyagok egymásra rétegelése - többszintű vagy többrétegű cellák létrehozásával a fény tágabb spektrumának felhasználására nyílik lehetőség, vagyis több elektromosságot lehet produkálni, alacsonyabb hőveszteség mellett. Akár 40 százalékkal, a napjainkban elterjedt cellákhoz képest. De az ilyen szerkezetű napelemek nagyon összetettek, ebből kifolyólag pedig igen drágák.

Nicolas Melosh, a Stanford Egyetem professzora más irányba indult a fejlesztéssel: ötletét a magas hatásfokú kapcsolt energiatermelő berendezések ihlették, melyek az égő gáz expanzióját turbinák hajtására, az égésből származó hőt pedig gőzgépek meghajtására használják. Csakhogy a hőenergia átalakítására képes berendezések nem társíthatók megfelelően a hagyományos napelemekhez, hiszen azok a hő függvényében és mértékének megfelelően képesek energiát előállítani, a napelemek ezzel szemben hatékonyságukat veszítik a felmelegedéssel – körülbelül 100 °C-on a szilícium veszít funkcionalitásából, 200 °C felett pedig már egyáltalán nem alkalmazható.

A stanfordi kutatók azonban felismerték, hogy a nap fényét egy más típusú készülékkel – termikus energiaátalakítóval, melyet hő hajt - nagyobb hatékonysággal lehet villamos energiává átalakítani. A termikus energiaátalakítók két, egymástól kis távolságra elhelyezett elektródát tartalmaznak. Amikor a katód felmelegszik, a rajta lévő elektronok gerjesztődnek és átvándorolnak a negatív elektródára, vagyis az anódra. Ilyen eszközöket használnak például az orosz műholdak hajtásához is, „alant” azonban még nem kerültek alkalmazásra – nagyon magas hőmérséklet mellett - 1500 °C – hatékonyak csak. Ezekben az eszközökben a katód jellemzően olyan fémekből készül, mint például a cézium.

A kutatócsoport fejlesztéséhez a cézium katódot egy félvezető anyagból álló lemezzel helyettesítette, mellyel nemcsak a hő, hanem a fény is hasznosíthatóvá válik. Így amikor fény éri a katódot, az továbbítja energiáját az anyagban található elektronok felé – hasonlóan ahhoz, ahogyan ez a napelemekben történik. Az ilyen módú energiatovábbítást nem lehet a katódokhoz korábban használt fémekkel megvalósítani, de a félvezetők tökéletesen megfelelnek a célra. Mivel kevesebb hőt vesz fel az „előgerjesztett” elektronok anódra továbbításához, az új eszköz alacsonyabb hőmérsékleten működik, mint a hagyományos termikus energia-átalakítók, de magasabb hőmérsékleten, mint a napelemek.

Stanfordban PETE-nek (Photon-Enhanced Termionic Emission), vagyis fotonnal támogatott termikus emissziónak nevezik az új eljárást. „A fény segít az elektronok energiaszintjének emelésében, így az áramlásukban is.” – mondja Gang Chen, a Massachusettsi Műszaki Egyetem professzora. „Időbe telik még, mire a gyakorlatban használható berendezést sikerül kifejleszteni, de az elkészült munka azt mutatja, hogy az irány jó.”

Az elkészült prototípus gallium-nitrid félvezetővel készült. 200 °C-on a fény energiájának 25 százalékát alakítja elektromossággá és hatékonysága a hőmérséklet emelkedésével tovább nő. Jelenleg is folyik a fejlesztés olyan anyagból – főként szilícium- és gallium-arzenidből - készült eszközök konstruálására, melyek még optimálisabban alkalmazhatók a napenergia konverziójára. Mivel a magasabb hőmérsékleti tartományokban a fotonnal támogatott termikus átalakító több hőt fog produkálni, mint amennyit képes felhasználni, a fejlesztők egy gőzgépet is a folyamatba illesztenének, mellyel üzemi léptékű alkalmazás mellett 50 százaléknál is nagyobb konverziós hatásfokot tartanak elérhetőnek. „Három év. Azt hiszem, ennyi időre van szükség a kereskedelmi bevezetéshez.” – mondta Melosh.

Forrás: www.technologyreview.com

Varga Balázs