Forskare har utformat ett off-grid, billig modulär energikälla som effektivt kan producera ström på natten. Systemet använder kommersiellt tillgänglig teknik och kan så småningom hjälpa till att möta behovet av nattbelysning i stadsområden eller tillhandahålla belysning i utvecklingsländer.

Även om solenergi ger många fördelar, dess användning beror starkt på fördelningen av solljus, som kan begränsas på många platser och är helt otillgänglig på natten. System som lagrar energi som produceras under dagen är vanligtvis dyra, vilket ökar kostnaden för att använda solenergi.

För att hitta ett billigare alternativ, forskare under ledning av Shanhui Fan från Stanford University tittade på strålningskylning. Detta tillvägagångssätt använder temperaturskillnaden som härrör från värme som absorberas från den omgivande luften och den strålande kylningseffekten av kallt utrymme för att generera elektricitet.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskarna demonstrerar teoretiskt en optimerad strålningskylning som kan generera 2,2 Watt per kvadratmeter med en taket enhet som inte kräver ett batteri eller någon extern energi. Detta är ungefär 120 gånger den mängd energi som har demonstrerats experimentellt och tillräckligt för att driva modulära sensorer som sådana som används i säkerhets- eller miljöapplikationer.

"Vi arbetar för att utveckla högpresterande, hållbar belysningsgenerering som kan ge alla - inklusive dem i utvecklings- och landsbygdsområden - tillgång till pålitliga och hållbara billiga energikällor för belysning, "sa Lingling Fan, tidningens första författare. "En modulär energikälla kan också driva sensorer från nätet som används i en mängd olika applikationer och användas för att omvandla spillvärme från bilar till användbar kraft."

Maximera kraftproduktion

Ett av de mest effektiva sätten att generera el med strålningskylning är att använda en termoelektrisk kraftgenerator. Dessa enheter använder termoelektriska material för att generera ström genom att omvandla temperaturskillnaderna mellan en värmekälla och enhetens svala sida, eller strålningskylare, till en elektrisk spänning.

I det nya arbetet, forskarna optimerade varje steg i termoelektrisk elproduktion för att maximera nattkraftgenerering från en enhet som skulle användas på ett tak. De förbättrade energihämtningen så att mer värme strömmar in i systemet från den omgivande luften och innehåller nya kommersiellt tillgängliga termoelektriska material som förbättrar hur väl den energin används av enheten. De beräknade också att en termoelektrisk kraftgenerator som täcker en kvadratmeter av ett tak kan uppnå den bästa avvägningen mellan värmeförlust och termoelektrisk omvandling.

"En av de viktigaste innovationerna var att designa en selektiv emitter som är fäst på enhetens svala sida, "sa Wei Li, medlem i forskargruppen. "Detta optimerar den strålande kylningsprocessen så att kraftgeneratorn mer effektivt kan bli av med överdriven värme."

Forskarna demonstrerade det nya tillvägagångssättet genom att använda datormodellering för att simulera ett system med realistiska fysiska parametrar. Modellerna reproducerade tidigare experimentella resultat troget och avslöjade att det optimerade systemet som designats av forskarna kunde komma nära det som har beräknats som maximal effektivitet med hjälp av termoelektrisk omvandling.

Förutom att utföra experiment, forskarna undersöker också optimala konstruktioner för drift av systemet under dagen, förutom nattetid, vilket skulle kunna utöka systemets praktiska tillämpningar.