Fără oglinzi concentratoare

Energie

de Mircea Badut

Fără oglinzi concentratoare

Categorisim metodele de captare a energiei solare în trei clase: conversia luminii direct în electricitate utilizând panouri fotovoltaice; reţinerea energiei termale prin concentrarea energiei solare folosind oglinzi (şi convertirea căldurii în electricitate prin turbine generatoare); şi – cea de-a treia abordare, mai puţin extinsă – generarea directă de electricitate folosind dispozitive termofotovoltaice. 

Primele două cunosc tehnologii bine conturate, însă au şi faţete dezavantajoase: celulele fotovoltaice sunt sensibile doar la anumite lugimi de undăale luminii solare, pierzând deci o parte din radiaţie, iar centralele solare cu încălzirea apei şi rotirea unei turbine păcătuiesc prin dubla conversie energetică şi prin procesele mecanice. Cea de-a treia metodă – conversia termofotovoltaică, deşi dovedită ştiinţific de prin anii '50 – era dezavantajată de pierderile interne de căldură, care anulau potenţialul ei de obţinere a unor sisteme energetice eficiente şi cu eforturi mici de întreţinere.

 

Soluţia de principiu

Dacă timp de multe decenii sistemele de captare concentrată a energiei solare au presupus folosirea oglinzilor (fie câteva oglinzi parabolice/cilindrice, fie o mulţime de oglinzi plane), cercetări recente derulate la Massachusetts Institute of Technology au pus la punct o alternativă de optimizare radicală a sistemelor termofotovoltaice. Cercetătorii MIT şi-au propus evitarea pierderilor termoelectrice prin intercalarea în dispozitiv a unui material cu suprafeţe prelucrate microscopic în mod special.

Radiaţia termică de la soare pătrunde în dispozitiv prin orificiile de pe suprafaţă, iar razele care tind să se reflecte înapoi sunt blocate, şi deci silite să rămână în material şi să-l încălzească (cumva similar efectului de seră al Pământului, printr-o ironie climatico-energetică a sorţii). De fapt, geometria riguroasă a orificiilor din material permite ca doar razele având un anume unghi să iasă, în timp ce restul, marea majoritate, rămân şi încălzesc interiorul.

 

Figura 1 (sus) - Schiţa dispozitivului termofotovoltaic conceput de Peter Bermel

 

Suprafaţa colectorului solar propusă de dr. Peter Bermel concentrează termal lumina solară prin „simplul” fapt că lumina este şi capturată dar şi re-reflectată înapoi în material. Deşi este în esenţă o chestiune de cercetare fundamentală (constituind o interesantă deviere de la teoria termodinamică a corpului negru), prototipul se dovedeşte uşor de extins, folosind tehnologia standard de fabricare a semiconductoarelor intens integrate.

Prin această abordare – mixtură de optică şi microtehnologie – se estimează că dispozitivele generatoare de energie pot ajunge uşor la eficienţe comparabile cu instalaţiile având gabarite mult mai mari. De altfel, în timp ce eficienţa sistemelor solare actuale este de 15-20%, materialul propus de MIT poate ajunge la 32-36%, astfel că – aplicat la scară largă – sistemul constituie o alternativă competitivă la abordările convenţionale (fotovoltaice sau cu helio-concentratori).

 

Structura internă

Capcana solară confecţionată în cadrul Laboratorului de cercetări în electronică al MIT se compune dintr-o folie de tungsten (deci material termo-rezistent) având feţele prelucrare diferit: suprafaţa dinspre Soare este constituită din orificii microscopice, iar cealaltă faţă – dinspre celula solară fabricată din arsenură de galiu – este modelată într-o structură foarte specializată, numită cristal fotonic, capabilă să emită selectiv radiaţie infra-roşie având frecvenţa cea mai potrivită pentru absorţia de către celula de conversie. Ambele suprafeţe se pot crea prin fotolitografie, deci similar cip-urilor de calculatoare.

Orificiul acela de la suprafaţă – având diametrul de trei sferturi de micron, adâncimea de trei microni, şi fiind multiplicat regulat la o distanţă de patru cincimi dintr-un micron – este cel care realizează capturarea fotonică. Când dispozitivul este orientat astfel încât orificiile sale devin coliniare cu razele solare, cea mai mare parte a radiaţiei incidente ajunge la baza orificiilor, unde este absorbită de tungsten. Aşa cum o impun legile termodinamicii, căldura începe imediat să fie re-radiată. Însă mai toate razele de căldură vor întâlni la întoarcere pereţii orificiului, ceea ce amplifică absorbţia, re-radierea şi, deci, încălzirea materialului.

Pentru a fi transformată în electricitate, această căldură este direcţionată către celula solară prin cristalul fotonic. Acesta, graţiei structurii geometrice regulate gravate pe suprafaţa inferioară a foliei de tungsten, amplifică emisiile infra-roşii (de anumite frecvenţe) şi le suprimă pe celelalte. Aspectul cheie al dispozitivului constă în acordarea cristalului, prin modificarea detaliilor structurii, astfel încât maximul energiei emise să aibă frecvenţa cea mai eficient captată de celula InGaAS (ciocnirea de electroni în interiorul materialului creează curent electric).

 

Figura 2 – Efectul selectivităţii unghiulare

 

Celulele fotovoltaice convenţionale nu pot converti în electricitate întregul spectru al luminii solare captate (ci doar maxim 33%, conform teoriei Shockley-Queisser). Dr. Peter Bermel de la MIT crede că sistemul său termofotovoltaic cu selectivitate unghiulară poate depăşi semnificativ limita Shockley-Queisser, deoarece energia este absorbită într-o gamă mai largă de lungimi de undă, generând deci mai mulţi fotoni de energie înaltă implicaţi apoi în generarea de electricitate.

 

P.S.Când tocmai finalizam articolul, am aflat despre reuşita unei echipe de la Universitatea Cambridge (echipă condusă de Neil Greenham şi Richard Friend) de a concepe – prin adăugarea unui substrat de semiconductor organic (pentacen) – o celulă solară capabilă să convertească în electricitate şi fotoni din subdomeniul albastru (nu doar din cel roşu, tradiţional), ceea ce promite să extindă spre 44% limita de mai sus. 



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord