IBM past koeltechnologie chips toe op zonnecellen

IBM gaat een van zijn technieken om processors te koelen inzetten om de temperatuur van zonnecellen binnen te perken te houden. De techniek moet efficiëntere en goedkopere zonnecellen opleveren.

Om de energieopbrengst van zonnecellen te verhogen, wordt het zonlicht bij veel cellen geconcentreerd met behulp van optische elementen. Wanneer de concentratie van licht in dergelijke 'geconcentreerde fotovoltaïsche cellen', of cpv's, een niveau bereikt dat vergelijkbaar is met de intensiteit van honderden zonnen, kan de temperatuur binnen zonnecellen snel oplopen. Door fresnellenzen geconcentreerd zonlicht kan een zonnecel voldoende opwarmen om metaal te smelten, wat een goede koeling van de cpv's noodzakelijk maakt. Dergelijke koeling draagt echter bij aan hogere kosten voor zonnepanelen, reden voor IBM om te onderzoeken of dat niet op een betere manier mogelijk is.

Het bedrijf heeft daartoe een prototype zonnepaneel gebouwd dat het zonlicht concentreert en de zonnecellen, mits ongekoeld, tot ruim zestienhonderd graden Celcius verwarmde. IBM hanteerde daarop een koelmethode die het ook in chips toepast om de temperatuur tot ongeveer vijfentachtig graden terug te brengen. De koeling maakt gebruik van vloeibaar metaal dat de warmte van de zonnecel afvoert naar een koelblok, vergelijkbaar met de techniek die het bedrijf Nanocoolers enkele jaren geleden voor zijn processors in wilde zetten. De techniek moet goedkopere koeling voor zonnecellen met hoge opbrengst mogelijk maken, hoewel IBM niet van plan is zelf de koeling of de zonnecellen te produceren. In plaats daarvan hoopt het zijn technologie in licentie aan fabrikanten te kunnen geven.

Naast de koeling wil 'Big Blue' ook zijn expertise op het gebied van chipproductie aanwenden om het productieproces van cigs-fotovoltaïsche cellen sneller en goedkoper te maken: daartoe ontwikkelt het bedrijf een alternatief voor het gangbare proces waarin de benodigde componenten op het substraat gedampt worden. Ook werkt het bedrijf aan een methode om op silicium gebaseerde fotocellen op een glassubstraat aan te brengen en uiteraard streven de onderzoekers van de researchlabs naar betere efficiëntie om licht in energie om te zetten, waarbij nanomaterialen als nanobuisjes kunnen worden ingezet.

Reacties (35)

[Verwijderd]

En als je aan de achterkant buizen aanbrengt met water in, niet om er motoren mee aan te drijven, maar gewoon je warmwatervoorziening en c.v.? Heb je je brander misschien nog amper nodig...

[MarcelG]

Als ze die warmte - die ze nu afvoeren - ook nog eens efficient kunnen omzetten in electriciteit, dan is het toch een win-win situatie, of ben ik nou te kort door de bocht?

[Toontje_78]

Werkt niet. Waarom? Omdat er nu al extra moeite gedaan moet worden om de warmte af te voeren, getuige de noodzaak tot koelen.

Iedere manier om electriciteit te maken uit warmte kan je vergelijken met een weerstand in een elektrische stroom; hoe hoger de weerstand, hoe hoger het potentiaal (warmte in dit geval) verschil.

En hoe hoger de temperatuur van een PV cel, hoe lager het rendement. Dus de T wil je laag houden, dus geen onnodige obstructies in de warmteafvoer. Tot het punt waar de warmte economisch winbaar is, op dat moment heb je echter geen PV maar een zonthermische elektriciteitsopwekking. De kombinatie van PV met zonthermisch werkt negatief op het rendement van de PV.

Tenzij je een goede koudebron hebt, dan kan je met een organische Rankine turrbine of Stirlingmotor werken waar T van de PV laag blijft.

[freaq]

een kant is opgewarms door de zon. de andere niet...
een stirling motor heeft aan enkele graden op zich al genoeg om te draaien. en een stuk staal in de zon is flink veel heter dan de omgeving

[Toontje_78]

Bij een paar graden verschil werkt het inderdaad. Maar heb je al naar het thermodynamische rendement gekeken?

Het rendement bij bijna geen temperatuursverschil is bijna 0. Dat houd in, er moet een grote hoeveelheid warmte vloeien om een beetje bruikbare energie te krijgen. De grote hoeveelheid energie in de warmte is bijna nutteloos, gezien de exergie (geen tikfout) zo laag is. Die is dan wel weer afhankelijk van het temperatuursverschil tussen warme en koude kant.

[Reactie gewijzigd door Toontje_78 op 27 juli 2024 02:04]

[Piraatje]

Heat pipes en een dikke Stirling motor?

[Reactie gewijzigd door Piraatje op 27 juli 2024 02:04]

[AlexanderB]

of solid state, een kant warm, een kant koud (koelblok) kun je een thermoelectrische omzetting mee doen, maar dan blijft de warme kant wel warm(er) dan wanneer er gewoon zo goed mogelijk gekoeld zou worden...

[Stephan224]

Ammoniak koeling (warmte=>koude) is een betere oplossing. Dat kort geen extra energie naar de pomp.

[AlexanderB]

die van mij levert energie op

[Verwijderd]

maar de geur is dan ook niet te harden

[freaq]

een stirling motor zou ideaal zijn. goede koeling en verhoog je de energieproductie ook flink mee.

nadeel ze zijn vrij onderhouds arm maar het is wel meer dan een zonnecel op zich

[Countess]

zou opzich prima kunnen. alleen is de opbrengst van zo'n warmte motor vrij klein in vergelijking met die van de zonnecell. de vraag is dus of het genoeg winst opleverd, in verhouding tot de extra complexiteit.
en dan moeten ze nogsteeds de warmte van de cell eerst afvoeren, om die koel te houden.

edit @ kix@$$. dat zat ik me net daarna ook te bedenken.
ideaal voor thuisgebruik lijkt me.
het grote nadeel van zo'n zonnepaneel is wel dat deze alleen goed werken als de zon echt schijnt, (moet liniear licht hebben voor het de lens) en dus in nederland wat minder efficient zou zijn.

[Reactie gewijzigd door Countess op 27 juli 2024 02:04]

[Mister_X]

uiteindelijk haal je dat rendement er toch wel uit, die extra 'complexiteit' (als ze daar ook nog eens wat aan doen), of het nou na 1 jaar is of na 3jaar, een windmolen bv. bij zo'n boer in de tuin is meestal pas na 10 jaar...

[Kix@$$]

Of een zonne-boiler...

[CaDje]

PVT paneel. Combinatie tussen een PV en een Zonne collector. Het rendement van je PV gedeelte gaat als het goed is ook omhoog doordat het gekoeld wordt door water.

[3phemeral]

In combinatie met iets als een Solar updraft tower lijkt me wel iets.

[Cristan]

Als je bijvoorbeeld een zonnecel hebt met een rendement van 50% hebt (wat erg veel is), hou je in zo'n geval inderdaad een hele hoop energie over. Eigenlijk zou je met behulp van heatpipes oid de warmte moeten verplaatsen naar een mini centrale om het rendement nog verder te verhogen

Waarschijnlijk is het kolder, maar als je er een woestijn van vol hebt loont het misschien wel de moeite (of we moeten zonnecellen met een rendement van 90% ontwikkelen, maar ik betwijfel of dit ons überhaupt wel gaat lukken).

-edit: te laat

[Reactie gewijzigd door Cristan op 27 juli 2024 02:04]

[TheMazzter]

Fotosynthese (waarmee planten dus zonlicht, CO2 en wat spul uit de bodem omzetten in zuurstof en suikers schijnt heel efficient te zijn. Als we dat nu konden gebruiken kan je misschien wel bij de 90% komen.

[Toontje_78]

Efficient? eff. berekening fotosynthese

De vele stappen met individueel een mooi rendement brengen het eindrendement drastisch omlaag.

(edit verduidelijking)

[Reactie gewijzigd door Toontje_78 op 27 juli 2024 02:04]

[Verwijderd]

Dat is inderdaad waar, maar wat je hier vergeet is dat wij als mensen niet echt geïntresseerd zijn in alle stappen van de fotosynthese. Als we de het hele proces van fotosynthese zouden ontrafelen zouden we namelijk ten eerste, twee honderd jaar verder zijn en ten tweede , na die tweehonderd jaar eindelijk een proces hebben ontwikkeld dat zeer inefficiënt glucose en andere suikers kan produceren. Niet echt iets waar we een ontzettende behoefte aan hebbe, aangezien we vele planten op aarde hebben die dat gratis en voor niets voor ons willen doen (even ervan uitgegaan dat we over twee honderd jaar nog steeds planten op onze aardbol hebben).

Als je alle stappen van de fotosynthese volgt heb je inderdaad een systeem dat zeer inëfficient lichtenergie omzet in chemische energie. Dit komt vooral door de zogenaamde donkerreactie, die ervoor zorgt dat via allerlei stappen glucose ontstaat. (en wie zit te wachten op glucose ?)
Maar wat wel ontzettend goed ontwikkeld is is een ander proces, de zogenaamde lichtreacties , en daarin vooral de eerste stappen. Deze zijn zeer efficiënt geregeld, vooral bij weinig licht weten ze eigenlijk vrijwel al het licht (met uitzondering van het groene licht), die op de bladeren vallen om te zetten in chemische energie. Het jammerlijke is dat zij heel weinig met die eerste energierijke chemische stoffen kunnen. Daarom zetten ze die via heel veel reacties uiteindelijk om in ATP en NADPH (waarbij dus veel energie verloren gaat). Het probleem van die stoffen is dat ze die niet voor lange tijd kunnen opslaan, dus deze stoffen worden daarna uiteindelijk in de donkerreactie, die dus heel inëfficient is, omgezet in glucose.
Uiteindelijk heb je dan over de totale fotosynthese dus inderdaad een ontzettend slecht rendement.

En dat is jammer , want wat die planten grofweg doen in de eerste stap van de lichtreacties (die dus zeer efficiënt is) is:
water m.b.v. licht omzetten in zuurstof en waterstof* !

En die planten kunnen misschien niks met die waterstof, maar wij wel. Dus op die manier hoef je maar een relatief klein deel van de hele fotosynthese te ontrafelen (en dat kan misschien wel in 20/30 jaar lukken) en heb je een efficient zonne-cel achtig iets gemaakt die inderdaad misschien wel tot een rendement van 90% kan komen en ook nog eens chemische energie levert, i.p.v. elektrische energie, die later dan weer met een rendement van 10% omgezet moet worden in waterstof

*dit is waterstof gekoppeld aan het co-enzym plastoquinol, maar dat kan je weer omzetten in waterstof en plastoquinone

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 02:04]

[RedShift]

Jammer genoeg hebben de beste zonnecellen tegenwoordig slechts een rendement van 25%, die worden vooral door NASA gebruikt. De beste commerciëel verkrijgbare (en - relatief - betaalbare) zonnecellen hebben een rendement van 18%.

[Toontje_78]

De beste (nog niet commerciele, ook niet voor NASA) hebben ~40% als tandem multi junction, experimentele cellen zullen nu net een % oid. hoger zitten. Deze gaan uit van AM0 (ruimte) spectrum, itt het variabele spectrum op de grond waar AM1.5 een benadering van is voor de middag, evenwel niet voor het variabele spectrum over de dag verspreid. In de ochtend en avond is het spectrum ' roder' dan in de middag.

Dit staat ook het gebruik van multi junction cellen op de grond in de weg, gezien het maximale rendement eigenlijk niet te halen is. Voor single junction cellen van Si is het maximale theorethische rendement 31%. (Shockley, Queisser: Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells, J. App. Phys., 32 (3) 510, 1961)

[Verwijderd]

Commerciële productie hebben een rendement tussen de 6-16%, De allerbeste onbetaalbare - kleine zonnecellen hebben een rendement van 25% in het laboratorium, dus die 50% is voorlopig een Utopie.

[DP Kunst]

Ik dacht het niet... De zonnecellen uit de Nuna 4 hebben een rendement van >26% en die uit de Twente One ongeveer 24%... Dit zijn zeker niet de best verkrijgbare zonnecellen

[Verwijderd]

Dat zijn wel waardes dicht tegen de maximaal haalbare waardes voor commercieel verkrijgbare platte zonnecellen. De ruim 26% efficiente triple junction gallium arsenide zonnecellen op de Nuna zijn dan ook peperduur en alleen verglijkbaar met zonnezellen voor satelietpanelen. Dergelijke cellen zoals gebruikt in met name de Nuna zijn gezien de kosten nog volstrekt niet zinvol voor commerciele energieopwekking.

Effieciency waardes boven de 30% zijn meer laboratorium gebied en vaak in combinatie met lenzen en het maximum ligt momenteel op iets van 42% a 43%.
50% is dus voorlopig nog een verre utopie.

[Verwijderd]

Als het maximum momenteel op 42-43% ligt, dat betekent dan eerder, dat de 50% in de nabije toekomst wellicht zal worden bereikt.
Dus je spreekt jezelf wat tegen hier.

[Toontje_78]

Hoe beter je richting 100% wil gaan, hoe meer junctions je nodig hebt. Een Riemannsom lijkt hierop. (inleiding integreren)

Daar komt bij, iedere junction moet een bepaalde optische dikte hebben voor het werkzame golflengtegebied. Daar komt bij dat het spectrum gelijk moet blijven, de junctions zijn serie geschakeld dus de minst actieve laag is de bottleneck (en dus spectrumafhankelijk)..

De eerste procenten zijn makkelijk, boven de 30% werd vooruitgang toch zwaar. Verwacht de 50% voorlopig nog niet op je dak. (nooit is een aardige benadering daarvan) Zoveel extra lagen zijn extra processtappen, en prijzige ook nog eens. (CVD en PVD zijn nu eenmaal moeilijk en duur)

[gp500]

Rendement mag best wel laag zijn.
met zo'n ferssnell lens wordt dat al beter.

Maar het obsolute punt is prijs per watt.

De omvormers kosten al een stuk minder dan eerst.
En lekker uitgebreid met data en zuinig.

[R3dJ3]

Ik las eens in een eerder bericht dat ze er ook zwembaden mee kunnen gaan verwarmen vond dat opzich wel een goed plan.

[Pinkelmans]

Bedoel jij niet de restwarmte van servers die daar gebruikt voor wordt?
Geheel ander onderwerp lijkt mij zo, alleen wel IBM...

http://pro.tweakers.net/n...rmt-zwitsers-zwembad.html

[Rob Coops]

Eindelijk, een van de grote research en development organizaties heeft het licht gezein.

Ik denk dat we hier redelijk wat van mogen verwachten IBM heeft niet aleen het geld maar ook erg veel kenis op het nano en halfgeleider gebied, nog immer de record houder als het gaat om patent aanvragen wat duid op een gezonde R&D afdeling die niet aleen maar in een stoffige kelder zit te prutsen.

Als het IBM lukt om cellen te baken op een snellere manier dan nu het geval is en zij daarbij ook nog eens de efficiëntie weten te verhogen dan zou dat een hele grote duw in de rug zijn voor groene energie.

[Part]

Fresnellenzen kun je uit overheadprojectors slopen en de rest warmte gebruik je voor een zonne boiler.
Wie weet zien we straks leuke doe het zelf bouw projecten.

[Toontje_78]

Voor de zonne-fanatici onder ons; deze methode werkt niet goed in Europa, gezien het grote deel van het licht dat (zoals vandaag) diffuus op ons neerdaalt.

In zonniger klimaten werkt een op geometrische optica gebaseerd systeem zoals de Fresnell-lenzen beschreven beter.

[aswelter]

Euh...is het 1 april? CVP koelen omdat door 1000 sun's verwarmd wordt? Denk het niet. Bij het gebruik van een lens om 1000 sun's te krijgen is de lens opervlakte al snel x maal zo groot als de gebruikte zonnecel. Als gevolg daarvan zit zo'n cel al snel standaard op een koellichaam net zo groot als de fresnell lens :-) Dat koellichaam staat in directe verbinding met de openluch en zal daardoor niet snel te warm worden.

Testen in Japan werden zelfs zonder koellichaam gedaan zodat men het diffuse licht dat niet door de fresnell op de cel kwam nog anderaan de paal op de grond viel, was goed voor het gras en/of andere plantjes

Heb nog wel ergens wat onderzoek linkjes liggen voor de liefhebbers.