Der große Erfinder Thomas Edison sagte einmal: „Solange die Sonne scheint, wird der Mensch in der Lage sein, Energie in Hülle und Fülle zu entwickeln.“ Er war nicht der erste große Geist, der sich mit der Idee beschäftigte, die Kraft der Sonne nutzbar zu machen; seit Jahrhunderten haben Erfinder darüber nachgedacht, wie man die Sonnenenergie nutzen kann, und sie perfektioniert.
Mit den Photovoltaikzellen, die das Sonnenlicht direkt in Energie umwandeln, haben sie Erstaunliches geleistet. Doch trotz aller Forschung, Geschichte und Wissenschaft sind der Nutzung der Sonnenenergie Grenzen gesetzt, denn sie kann nur tagsüber gewonnen werden.
Neues Solarsystem ermöglicht Spitzenleistung und eine 24/7-Nutzung
Ein Professor der University of Houston setzt die historische Suche fort und berichtet über ein neuartiges System zur Gewinnung von Sonnenenergie, das den Effizienzrekord aller bisherigen Technologien bricht. Und, was nicht weniger wichtig ist, es macht den Weg frei für die Nutzung der Sonnenenergie rund um die Uhr.
„Mit unserer Architektur kann die Effizienz der Solarenergienutzung bis an die thermodynamische Grenze verbessert werden“, berichten Bo Zhao, Kalsi Assistant Professor für Maschinenbau, und seine Doktorandin Sina Jafari Ghalekohneh. Die thermodynamische Grenze ist die absolute, maximal mögliche Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in Elektrizität.
Effizientere Wege zur Nutzung der Sonnenenergie zu finden, ist entscheidend für den Übergang zu einem kohlenstofffreien Stromnetz. Laut einer aktuellen Studie des U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office und des National Renewable Energy Laboratory könnte die Solarenergie bis zum Jahr 2035 bis zu 40 Prozent und bis zum Jahr 2050 bis zu 45 Prozent der Stromversorgung des Landes ausmachen, vorausgesetzt, es kommt zu aggressiven Kostensenkungen, unterstützenden politischen Maßnahmen und einer groß angelegten Elektrifizierung.
Steigerung des Wirkungsgrades und Eliminierung der Rückemissionen
Herkömmliche Solar-Thermophotovoltaik (STPV) stützt sich auf eine Zwischenschicht, um das Sonnenlicht für einen besseren Wirkungsgrad anzupassen. Die Vorderseite der Zwischenschicht (die der Sonne zugewandte Seite) ist so konzipiert, dass sie alle von der Sonne kommenden Photonen absorbiert. Auf diese Weise wird die Sonnenenergie in Wärmeenergie der Zwischenschicht umgewandelt und die Temperatur der Zwischenschicht erhöht.
Die thermodynamische Wirkungsgradgrenze von STPV, die seit langem als Schwarzkörpergrenze (85,4 Prozent) bekannt ist, liegt jedoch weit unter der Landsberg-Grenze (93,3 Prozent), der ultimativen Wirkungsgradgrenze für die Nutzung von Sonnenenergie.
„In dieser Arbeit zeigen wir, dass das Effizienzdefizit durch die unvermeidliche Rückemission der Zwischenschicht in Richtung Sonne verursacht wird, die sich aus der Reziprozität des Systems ergibt. Wir schlagen nicht-reziproke STPV-Systeme vor, die eine Zwischenschicht mit nicht-reziproken Strahlungseigenschaften verwenden“, sagte Zhao.
„Eine solche nicht-reziproke Zwischenschicht kann die Rückstrahlung zur Sonne deutlich unterdrücken und mehr Photonenfluss zur Zelle leiten. Wir zeigen, dass das nicht-reziproke STPV-System mit einer solchen Verbesserung die Landsberg-Grenze erreichen kann, und dass praktische STPV-Systeme mit Photovoltaik-Zellen mit einem Übergang auch eine erhebliche Effizienzsteigerung erfahren können“, fährt er fort.
Effizient und kompakt durch moderne nicht-reziproke Technologie
Neben einem verbesserten Wirkungsgrad versprechen STPV-Systeme Kompaktheit und Dispatchability (Strom, der je nach Marktbedarf programmiert werden kann). In einem wichtigen Anwendungsszenario können STPVs mit einem wirtschaftlichen thermischen Energiespeicher gekoppelt werden, um rund um die Uhr Strom zu erzeugen.
„Unsere Arbeit unterstreicht das große Potenzial von nicht-reziproken thermischen photonischen Komponenten in Energieanwendungen. Das vorgeschlagene System bietet einen neuen Weg, um die Leistung von STPV-Systemen erheblich zu verbessern. Es könnte den Weg dafür ebnen, dass nicht-reziproke Systeme in praktischen STPV-Systemen eingesetzt werden, die derzeit in Kraftwerken verwendet werden“, sagte Zhao.
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