Die neue Zelle von NREL übertrifft den bisherigen Effizienzrekord um mehr als 8 Prozentpunkte und erschließt effizientere thermische Energiespeicheranwendungen
Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat eine lange Geschichte im Bau von Solarzellen, die Licht von der Sonne einfangen rekordverdächtige Wirkungsgrade. Aber die Sonne ist nicht die einzige Lichtquelle, aus der die Photovoltaik Energie gewinnen kann. Heiße Objekte emittieren ebenfalls Licht – im Allgemeinen bei längeren, energieärmeren Wellenlängen – und Thermophotovoltaik (TPVs) sind Photovoltaikzellen, die optimiert sind, um dieses Licht einzufangen.
Eine neue von NREL entwickelte Photovoltaikzelle übertrifft bei weitem den bisherigen Weltrekordwirkungsgrad von 32 % für TPVs. Das neue Gerät, das für eine gemeinsame Demonstration mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) eines elektrischen Energiespeicherkonzepts entwickelt wurde, ist in beschrieben ein Artikel bei Natur.
Das vom NREL/MIT-Team entwickelte Gerät besteht aus zwei lichtabsorbierenden Schichten, die von einer hochreflektierenden Goldspiegelschicht und einem Kühlkörper unterstützt werden. Der Kühlkörper verhindert, dass die Zelle zu heiß wird, was zu Effizienzverlusten führt. Abbildung angepasst mit Genehmigung von Alina LaPotin, MIT
Das Gerät mit Rekordwirkungsgrad, das darauf ausgelegt war, Energie aus einem auf 2.400 °C erhitzten Objekt zu gewinnen, erreichte einen maximalen Wirkungsgrad von 41,1 % (± 1 %), mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 36,2 % über einen Bereich relevanter Temperaturen.
„Ein hoher Wirkungsgrad ist entscheidend für die technische und wirtschaftliche Machbarkeit von TPV-Systemen, und dieser neue Rekordwirkungsgrad von 41 % ist ein riesiger Schritt, um dieses thermische Energienetzspeicherkonzept Wirklichkeit werden zu lassen“, sagte Dan Friedman, ein NREL-Autor des Papiers.
Verbesserte Wärme-Strom-Umwandlung verspricht neue Energiespeichermöglichkeiten
Bezeichnenderweise kann ein TPV-Gerät mit einem Wirkungsgrad von 40 % Wärme effizienter in Strom umwandeln als herkömmliche Dampfturbinen, wie sie beispielsweise in Kohle- oder Kernkraftwerken verwendet werden. TPVs bieten das Potenzial für niedrigere Kosten, schnellere Reaktionszeiten, Kompatibilität mit einer extrem breiten Palette von Systemgrößen (von Watt bis Gigawatt) und niedrigere Wartungskosten aufgrund weniger beweglicher Teile.
Die TPV-Zelle ist auch für den Betrieb mit Wärmequellen über 2.000 °C optimiert, die für herkömmliche Dampfturbinen zu heiß sind. Erdgas und Wasserstoff können bei diesen Temperaturen verbrannt werden, aber was vielleicht am wichtigsten ist, es wurden kostengünstige Wärmeenergiespeichersysteme im großen Maßstab ins Auge gefasst, die bei diesen Temperaturen betrieben werden können.
Thermische Energiespeichersysteme funktionieren wie eine Batterie, die Strom aufnimmt und ihn zur Speicherung in Hochtemperaturwärme umwandelt (denken Sie an einen riesigen Toaster). TPVs wandeln diese Wärme dann bei Bedarf wieder in Strom um und liefern so kostengünstige, saubere Energie auf Abruf. Das vom Team entwickelte TPV-Gerät – das einst in dem größeren gemeinsamen Projekt mit dem MIT demonstriert wurde – könnte einen entscheidenden Meilenstein darstellen, um saubere Energiespeicher kostengünstig und skalierbar zu machen.
„Bisher hat die Speicherung von Wärmeenergie im Netz noch keine nennenswerte Aufmerksamkeit erregt, weil wir uns traditionell nur auf die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie konzentriert haben, nicht umgekehrt“, sagte Zhiwen Ma, ein leitender NREL-Forscher ein separates Wärmeenergie-Netzspeicherprojekt nichts mit dieser TPV-Forschung zu tun. „Die Umwandlung von Strom in Wärme zum Speichern von Energie bietet große Vorteile bei der Skalierung von Energiespeichern und deren Platzierung dort, wo sie benötigt wird. Die Entwicklung einer neuen Weltrekord-TPV-Zelle verbessert die Wärme-zu-Strom-Umwandlung von Wärmeenergiespeichern und macht die Technologie attraktiver denn je, um den steigenden Bedarf an erneuerbarer Integration zu unterstützen.“
Sorgfältiges Design ergibt Weltrekord-TPV-Zelle
Das TPV-Gerät mit einem Wirkungsgrad von 41 % ist eine Tandemzelle – ein photovoltaisches Gerät, das aus zwei übereinander gestapelten lichtabsorbierenden Schichten besteht, die jeweils so optimiert sind, dass sie leicht unterschiedliche Lichtwellenlängen absorbieren. Das Team erreichte diese Rekordeffizienz durch die Verwendung von Hochleistungszellen, die optimiert wurden, um im Vergleich zu früheren TPV-Designs energiereicheres Infrarotlicht zu absorbieren. Dieses Design baut auf frühere Arbeiten des NREL-Teams.
Ein weiteres entscheidendes Designmerkmal, das zu der hohen Effizienz führt, ist ein hochreflektierender Goldspiegel auf der Rückseite der Zelle. Ein Großteil des emittierten Infrarotlichts hat eine längere (weniger energetische) Wellenlänge als das, was die aktiven Schichten der Zelle absorbieren können. Dieser Rückflächenreflektor wirft 93 % dieses nicht absorbierten Lichts zurück zum Emitter, wo es resorbiert und erneut emittiert wird, wodurch die Gesamteffizienz des Systems verbessert wird. Weitere Verbesserungen des Reflexionsvermögens des Rückreflektors könnten zukünftige TPV-Effizienzen nahe oder über 50 % antreiben.
Erfahren Sie mehr über NRELs Arbeit an der Thermophotovoltaik und hocheffiziente Photovoltaikgeräte. Für weitere Informationen über die TPV-Forschung von NREL wenden Sie sich bitte an Myles Steiner.
Artikel mit freundlicher Genehmigung der National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums (DOE).
Vorgestelltes Bild aus der verwandten Geschichte, Neue Projekte bringen die Thermophotovoltaik-Technologie näher an die Kommerzialisierung. Fotos von Alina LaPotin, MIT.
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