Солнечные панели будут производить электроэнергию и отправлять избыточное тепло в космос

Шаньхуэй Фань и его команда создали прототип солнечной панели, которая будет производить электричество и одновременно обеспечивать охлаждение зданий.
Фото L.A. Cicero.

Исследователи из Стэнфордского университета представили прототип солнечной панели нового поколения. Как ожидается, подобные устройства будут не только собирать солнечный свет и преобразовывать его в электричество, но ещё и отправлять избыточное тепло в космос.

Таким образом инженеры намерены революционизировать использование энергоресурсов.

"Мы создали устройство, которое в один прекрасный день сможет производить и экономить энергию в одном и том же месте и в одно и то же время, контролируя два очень разных свойства света", — поясняет разработчик технологии Шаньхуэй Фань (Shanhui Fan).

Новая модель, на первый взгляд, мало чем отличается от уже привычных многим панелей, которые располагают, например, на крышах домов. Однако она имеет важное дополнение: под верхним слоем, предназначенным для сбора солнечного света, расположен ещё один. Именно он делает новинку уникальной.

Этот слой изготовлен из материалов, которые собирают тепло с крыши и направляют его в космос благодаря процессу, известному как излучательное охлаждение (radiative cooling).

Следует пояснить, что любой объект, будь то здание или даже человеческое тело, отдаёт тепло в виде инфракрасного излучения. Увидеть его без специальных приборов невозможно. Однако его можно ощутить: например, такое излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла.

Проблема в том, что здания не могут излучать тепло и сильно нагреваются в жаркую погоду, поскольку атмосфера Земли создаёт вокруг них своего рода тепловую ловушку (тот самый эффект парника). Это всё равно что укрыть здание толстым одеялом, которое будет сохранять тепло, поясняют авторы работы.

Однако им всё же удалось найти решение. Дело в том, что "атмосферное одеяло" имеет "дыры", через которые волны инфракрасного света определённой длины – от 8 до 13 микрометров – легко отправляются в космос.

"Солнце – идеальный источник тепла для людей на Земле. Но немногим известно, что природа также предлагает человеку космическое пространство как идеальный теплоотвод", — отмечает соавтор работы Чжэнь Чэнь (Zhen Chen) из Юго-Восточного университета Китая.

Ещё в 2014 году, в поисках новых методов охлаждения зданий, Шаньхуэй Фань разработал покрытие, которое излучает тепло в космос (об этой работе мы подробно рассказывали). Параллельно его команда представила самоохлаждающиеся солнечные панели, которые способны избавлять себя от нежелательного теплового излучения.

Исследователи продолжили экспериментировать с охлаждающим покрытием и в результате создали "излучательный охладитель" из кремния, нитрида кремния и алюминиевых слоёв, заключённых в вакууме. Он способен преобразовывать тепловое излучение зданий в инфракрасный свет нужной длины волны, который имеет возможность проходить сквозь земную атмосферу и отправляться в космос.

Инженеры в ходе своей работы предположили, что, если солнечная панель будет оснащена подобным материалом, то это позволит эффективно охлаждать здания и экономить энергию, которая тратится на кондиционирование помещений в офисах и жилых домах.

На следующем этапе команда приступила к созданию "излучающей" солнечной панели. Прототип сделали круглым, диаметром не больше компакт-диска. Как уже упоминалось, второй слой, отвечающий за эффект излучательного охлаждения, разместили под верхним слоем, который собирает солнечную энергию.

Затем специалисты разместили такую панель на крыше Стэнфордского университета. В ходе испытаний они сравнивали температуру воздуха над крышей с температурой верхнего и нижнего слоёв устройства.

Как и ожидалось, верхний слой нагрелся сильнее, поскольку на него попадали прямые солнечные лучи. Между тем показатель второго слоя был гораздо ниже, чем температура воздуха над крышей.

"Это доказывает, что тепло излучалось снизу, через верхний слой, в космос", — поясняет Чжэнь Чэнь.

Правда, авторы разработки отмечают, что пока не успели проверить, насколько эффективно их панель производит электроэнергию. Дело в том, что классическое полупроводниковое покрытие использовать для испытаний прототипа было бы неприемлемо, поскольку оно блокировало бы инфракрасное излучение. Поэтому теперь команда подбирает иное решение, которое будет обеспечивать столь же эффективный сбор и переработку солнечной энергии в электричество, как и привычные модели (что сделать не так-то просто).

В конечном итоге Шаньхуэй Фань намерен создать устройство, которое будет эффективно собирать солнечный свет, а также охлаждать здания. Инженеры не сомневаются в том, что однажды такие панели начнут применяться повсеместно.

Более подробное описание этой разработки содержится в статье, опубликованной в журнале Joule.

Напомним, что ранее солнечные панели заставили генерировать энергию даже в дождь. Также авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как российские химики повысили эффективность солнечных батарей при помощи фтора, а специалисты из Стэнфорда подсмотрели механизм создания новых солнечных панелей у насекомых.

Сегодня