de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam der University of Rochester ist es gelungen, die Ausgangsleistung eines solarthermoelektrischen Generators (STEG) in normaler Luftumgebung auf das 15-Fache herkömmlicher Bauweisen zu steigern – ohne Änderung des Halbleitermaterials. Dies gelang durch ein neuartiges Wärmemanagement-Design. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Light: Science and Applications veröffentlicht.
Solarthermoelektrische Generatoren nutzen den Seebeck-Effekt: Durch Erhitzen einer Seite und Kühlen der anderen wird ein elektrischer Strom erzeugt – ohne bewegliche Teile oder chemische Reaktionen. Sie können Wärmequellen wie Industrieabwärme, Körperwärme oder diffuse Sonnenstrahlung nutzen. Allerdings lag der Wirkungsgrad von Standardbauweisen bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom im Freien lange unter 1 %, während handelsübliche Solarmodule auf Dächern etwa 20 % erreichen. Komplexe Laboraufbauten können den Wirkungsgrad durch Vakuumsysteme leicht steigern, doch die Leistung alltäglicher Geräte stagnierte bisher.
Das Team um Professor Chunlei Guo vom Institute of Optics der University of Rochester änderte den Forschungsansatz und verlagerte den Fokus vom Halbleitermaterial auf das gesamte Wärmemanagement des Geräts. Die Forscher gingen davon aus, dass eine verbesserte Wärmeaufnahme und -speicherung auf der heißen Seite sowie eine effizientere Wärmeabfuhr auf der kalten Seite die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten vergrößern und so mehr Strom erzeugen würden. Diese zweigleisige Strategie umgeht vollständig Verbesserungen an der Halbleiterschicht.
Auf der heißen Seite erzeugten die Forscher mit Femtosekunden-Laserpulsen nanoskalige Strukturen auf einer Wolframoberfläche und stellten so das von ihnen als „Schwarzmetall" (black metal) bezeichnete Material her. Diese Oberfläche absorbiert selektiv Licht im Wellenlängenbereich der Sonne und reduziert Wärmeverluste in anderen Spektralbereichen. Anschließend wurde das Schwarzmetall mit einer transparenten Kunststofffolie bedeckt, wodurch ein Mini-Treibhauseffekt entstand, der die Temperatur auf der heißen Seite durch verringerte Konvektions- und Leitungsverluste weiter erhöhte. Auf der kalten Seite wurde ein Femtosekundenlaser eingesetzt, um gewöhnliches Aluminium zu bearbeiten. Die eingravierten Mikrostrukturen bildeten einen Strahlungs- und Konvektionskühler, der die Kühlleistung eines Standard-Aluminiumkühlkörpers verdoppelte.
Durch diese Konstruktion erzeugte der STEG eine 15-mal höhere Leistung als ein herkömmliches Basisgerät. Das Team bestätigte dieses Ergebnis durch eine praktische Demonstration, bei der eine LED mit Strom versorgt wurde. Obwohl der absolute Wirkungsgrad noch nicht mit handelsüblichen Photovoltaikmodulen mithalten kann, zeigt dieser Fortschritt, dass STEGs in nicht-vakuumierter, atmosphärischer Umgebung eine deutliche Leistungssteigerung erzielen können. Die Forschung wurde von der National Science Foundation, FuzeHub und dem Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence gefördert.
Das Forschungsteam wies darauf hin, dass die Technologie in drahtlosen Sensoren für das Internet der Dinge, in tragbaren Geräten, die Körperwärme nutzen, sowie in netzfernen Energiesystemen für ländliche Gebiete ohne Stromnetz eingesetzt werden könnte. Da STEGs keine direkte Sonneneinstrahlung benötigen, kann jeder Temperaturgradient sie antreiben. Die Ergebnisse befinden sich derzeit noch in der Konzeptvalidierungsphase; für eine großflächige Kommerzialisierung muss der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden. Durch den Nachweis der Wirksamkeit des Wärmemanagement-Ansatzes eröffnet diese Arbeit neue Forschungsrichtungen im Bereich der Solarthermoelektrik.
Dieser Artikel wurde von Wedoany übersetzt und bearbeitet. Bei jeglicher Zitierung oder Nutzung durch künstliche Intelligenz (KI) ist die Quellenangabe „Wedoany“ zwingend vorgeschrieben. Sollten Urheberrechtsverletzungen oder andere Probleme vorliegen, bitten wir Sie, uns unverzüglich zu benachrichtigen. Wir werden den entsprechenden Inhalt umgehend anpassen oder löschen.
E-Mail: news@wedoany.com
