Forscher entwerfen effizientes, kostengünstiges System zur nächtlichen Stromerzeugung
Ein Strahlungskühlungssystem auf dem Dach könnte die Stromversorgung der Beleuchtung sicherstellen, wenn keine Solarenergie verfügbar ist
Die Forscher haben eine netzunabhängige, kostengünstige modulare Energiequelle entwickelt, die nachts effizient Strom erzeugen kann. Das System nutzt kommerziell erhältliche Technologie und könnte schließlich dazu beitragen, den Bedarf an nächtlicher Beleuchtung in städtischen Gebieten zu decken oder in Entwicklungsländern für Beleuchtung zu sorgen.
Forscher haben eine netzunabhängige, kostengünstige modulare Energiequelle entwickelt, die mit Hilfe von Strahlungskühlung effizient Strom für die nächtliche Beleuchtung erzeugt.
Lingling Fan and Wei Li, Stanford University
Obwohl Solarenergie viele Vorteile mit sich bringt, hängt ihre Nutzung stark von der Verteilung des Sonnenlichts ab, das an vielen Orten begrenzt sein kann und nachts überhaupt nicht zur Verfügung steht. Systeme, die tagsüber erzeugte Energie speichern, sind in der Regel teuer und treiben so die Kosten für die Nutzung der Sonnenenergie in die Höhe.
Um eine preiswertere Alternative zu finden, suchten Forscher unter der Leitung von Shanhui Fan von der Stanford University nach einer Strahlungskühlung. Dieser Ansatz nutzt die Temperaturdifferenz, die sich aus der von der Umgebungsluft absorbierten Wärme und dem Strahlungskühlungseffekt des kalten Raums ergibt, zur Stromerzeugung.
In der Zeitschrift Optics Express der Optical Society (OSA) demonstrieren die Forscher theoretisch einen optimierten Strahlungskühlungsansatz, der 2,2 Watt pro Quadratmeter mit einem Dachgerät erzeugen kann, das weder eine Batterie noch externe Energie benötigt. Das ist etwa das 120-fache der Energiemenge, die experimentell nachgewiesen wurde, und reicht aus, um modulare Sensoren zu betreiben, wie sie beispielsweise in Sicherheits- oder Umweltanwendungen eingesetzt werden.
"Wir arbeiten an der Entwicklung einer leistungsstarken, nachhaltigen Lichterzeugung, die jedem - auch in Entwicklungs- und ländlichen Gebieten - Zugang zu zuverlässigen und nachhaltigen, kostengünstigen Energiequellen für die Beleuchtung bietet", sagte Lingling Fan, Erstautor der Studie. "Eine modulare Energiequelle könnte auch netzunabhängige Sensoren, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, mit Strom versorgen und dazu dienen, die Abwärme von Kraftfahrzeugen in nutzbare Energie umzuwandeln.
Maximierung der Energieerzeugung
Eine der effizientesten Methoden zur Stromerzeugung durch Strahlungskühlung ist die Verwendung eines thermoelektrischen Stromgenerators. Diese Vorrichtungen verwenden thermoelektrische Materialien zur Stromerzeugung, indem sie die Temperaturunterschiede zwischen einer Wärmequelle und der kühlen Seite der Vorrichtung oder des Strahlungskühlers in eine elektrische Spannung umwandeln.
In der neuen Arbeit optimierten die Forscher jeden Schritt der thermoelektrischen Stromerzeugung, um die nächtliche Stromerzeugung von einem Gerät zu maximieren, das auf einem Dach verwendet werden sollte. Sie verbesserten die Energiegewinnung, so dass mehr Wärme aus der Umgebungsluft in das System strömt, und integrierten neue kommerziell erhältliche thermoelektrische Materialien, die die Nutzung dieser Energie durch das Gerät verbessern. Sie berechneten auch, dass ein thermoelektrischer Stromgenerator, der einen Quadratmeter eines Daches bedeckt, den besten Kompromiss zwischen Wärmeverlust und thermoelektrischer Umwandlung erzielen könnte.
"Eine der wichtigsten Innovationen war die Entwicklung eines selektiven Emitters, der an der kühlen Seite des Geräts angebracht wird", sagte Wei Li, ein Mitglied des Forschungsteams. "Dadurch wird der Strahlungskühlungsprozess optimiert, so dass der Stromgenerator die überschüssige Wärme effizienter abführen kann.
Die Forscher demonstrierten den neuen Ansatz, indem sie mit Hilfe von Computermodellen ein System mit realistischen physikalischen Parametern simulierten. Die Modelle reproduzierten frühere experimentelle Ergebnisse getreu und zeigten, dass das von den Forschern entworfene optimierte System nahe an das herankommen konnte, was als maximaler Wirkungsgrad durch thermoelektrische Umwandlung berechnet wurde.
Neben der Durchführung von Experimenten untersuchen die Forscher auch optimale Designs für den Betrieb des Systems während des Tages und zusätzlich zur Nachtzeit, was die praktischen Anwendungen des Systems erweitern könnte.
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