改良された太陽電池は夜間に電力を生成します

Mar 30, 2023

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投稿日: 2023 年 6 月 8 日2023 年 5 月 26 日 投稿者: Melisa Yashinski

ソーラーパネルは再生可能エネルギー源としてますます一般的になり、送電網にアクセスできない世界の地域に電力を供給します。 ソーラーパネルは、太陽光を電気に変換する多数の小型デバイスで構成されており、これは光電池（略してPVセル）と呼ばれます。 一般的な PV セルは約 5 平方インチ (または 13 平方センチメートル) で、手頃な価格の半導体材料であるシリコンで作られています。 シリコンは太陽光からエネルギーを吸収し、電子が励起されてセルの底部から上部に移動し、電気を生成します。 このプロセスには太陽エネルギーが必要であるため、太陽光発電セルは夜間には発電せず、オフグリッドの場所ではその時間帯に電力が供給されなくなります。

最近、研究者は、放射冷却と呼ばれるプロセスを通じて、物体から放出される熱から生成される電力を利用することに興味を持っています。 地球は日中は太陽によって暖められ、夜になると長波放射を宇宙に向けて放出することで冷えます。 これが、暖かい日の後に、特に空が晴れているときに、夜がずっと涼しくなる理由です。

一般的な太陽電池は二酸化ケイ素で覆われており、放射冷却により強い熱が放出されます。 これは、太陽電池が周囲に熱を失い、夜間に周囲の空気より数度低くなることを意味します。 現在、太陽電池はこの温度変化を電気に変換できません。 科学者たちは、このエネルギーを収集する太陽電池の設計を提案しています。 ただし、これにはシリコンとは異なる電気特性を持つ半導体が必要となるため、夜間に発電するにはシリコンベースのソーラーパネルを交換する必要がある。

スタンフォード大学の科学者たちは、新しい太陽電池を設計するのではなく、既存の太陽電池を改造して熱を電気エネルギーに変換しました。 彼らは、熱電発電機 (TEG) と呼ばれる、温度変化を電気エネルギーに変換するデバイスを組み込みました。 TEG はソリッド ステート デバイスです。つまり、可動部品がなく、2 つの異なる温度にさらされると反応する独自の素材で作られています。 高温にさらされた材料内の原子は励起されて電子を放出し、その電子が低温にさらされた材料の側に流れます。 科学者らは、低温の太陽電池と暖かい周囲空気の間に TEG を取り付けることを計画しました。

この改良型 PV セルを設計する際、科学者たちは熱力学計算を使用して、TEG が最も多くの電力を生成する時期を調べました。 彼らは、TEG の発電に寄与しないため、周囲の空気、TEG の周囲、および太陽電池に流れる熱の量を最小限に抑える必要があると判断しました。 したがって、周囲の空気との接続に対応する開口部を備えた断熱プラスチックチャンバー内でデバイスを囲みました。

科学者らはまた、TEG の高温側と周囲空気との接触を最大限にする必要があると計算しました。 これを行うために、彼らは TEG のこちら側を、ヒートシンクと呼ばれる熱エネルギーを伝達する標準的なコンピューター部品とベースサポートに接続しました。 ヒートシンクは、周囲の空気がほとんど抵抗なく TEG に到達するための経路を提供しました。 また、熱伝達を改善するために太陽電池とTEGの間にアルミニウムシートを接続しました。 次に、熱の流れを強化するために各コンポーネントにシリコン グリースを塗布しました。

改良した太陽電池をテストするため、科学者らは空にアクセスできる遮るもののない屋上に太陽電池を4昼夜置きました。 その間、彼らは TEG、太陽電池によって生成される電力、太陽電池、ヒートシンク、周囲空気の温度を継続的に監視しました。

科学者らは、太陽電池が日中に加熱され、温度が日中にピークに達し、周囲温度より約 15°C (59°F) も高くなるのを観察しました。 夜間、太陽電池セルの温度は周囲温度よりも低下し、これは晴れた夜に最も顕著で、約 3°C (37°F) 低くなりました。 TEG は昼と夜の両方の温度差から電力を抽出しました。

科学者らは、日中にTEGから少量の電力が検出されたが、これは太陽電池が太陽光から生成した電力の約1%に相当する。 しかし、夜間に彼らはTEGによって生成されるかなりの量の電力を測定しました。これは、日中に太陽電池によって生成される電力のほぼ40%に相当します。 彼らはまた、曇りの夜よりも晴れた夜の方がより多くの電力が生成されることにも注目した。

科学者らは、将来の研究において、太陽電池とTEGの接触面積を最適化することで夜間発電を改善することを提案した。 彼らはまた、太陽電池の上に電気絶縁層を追加して、放射冷却中に放出される熱の量を増やすことも提案しています。 彼らは、既存の太陽電池を改造すれば、オフグリッドの場所に夜間電力を供給できると結論づけた。