MIT-onderzoekers verbeteren thermische 'zonnecellen'

Onderzoekers van het MIT hebben fotovoltaïsche cellen ontwikkeld die functioneren zonder zichtbaar licht. De cellen zetten warmte om in straling met een andere golflengte die benut kan worden om elektrische energie op te wekken.

Het principe dat de medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology, of het MIT, voor hun fotovoltaïsche cellen gebruiken, is niet nieuw, maar de implementatie zou volgens de onderzoekers tot een hoger rendement leiden. De tpv-cellen maken gebruik van warmte dat wordt geconverteerd in infraroodstraling en straling met een kortere golflengte. Net als bij normale pv-cellen wordt de straling benut om elektronen vrij te maken en zo elektriciteit op te wekken.

De conversie van infrarode straling naar elektriciteit vergt halfgeleiders met een lage band gap, maar lang niet alle infrarode energie kan benut worden. De MIT-onderzoekers hebben echter een materiaal op basis van wolfraam ontwikkeld dat warmte naar infrarode straling met specifieke golflengte omzet: dat maakt de conversie efficiënter. Met behulp van nanostructuren die op het oppervlak van de infrarood-straler werden aangebracht, konden zij de geproduceerde golflengtes precies afstemmen om de band gap van de pv-cellen.

De warmtebron die de energie aan de wolfraam-infraroodstraler moet leveren, kan variëren van een radio-actief isotoop die tijdens verval warmte levert, tot een butaanbrander. Laatstgenoemde warmtebron wordt in een knoopcel gebruikt met een microreactor waarin butaan of propaan verbrand wordt. Deze micro-tpv-generator kan drie maal de energie van een evenzware lithiumion-accu leveren en heeft nog ruimte voor verbetering. Het 'opladen' vergt het inpluggen van een nieuwe brandstof-cartridge. Een versie met een radio-isotoop als warmtebron zou volgens de onderzoekers dertig jaar mee kunnen gaan zonder bijtanken.

Reacties (38)

[Japs]

Ter info:
Er wordt hier regelmatig vermeld dat de radioactieve isotoop als warmte bron een mooie optie is voor de ruimtevaart.
Zou kunnen, maar een soortgelijk principe wordt al decennia gebruikt in de ruimtevaart. Volgen mij heeft zo'n beetje elk ruimtevaartuig wat voorbij mars gaat een stroombron die warmte t.g.v. verval van een radioactief isotoop omzet in elektriciteit. Misschien volgens een iets ander principe, maar het wordt zeker al sinds begin jaren 70 gebruikt.

http://nl.wikipedia.org/w...rmo-elektrische_generator

[Verwijderd]

Het zou mooi zijn als je allerhande kosmische straling zou kunnen omzetten in elektrische energie, geen problemen zonder ster als energiebron in de nabijheid- een beetje "Pitch Black" idee (die film met Vin Diesel ofzo.)

[Floort]

Je hebt 2.7K microgolf achtergrondstraling, maar dan moet je zelf kouder dan 2.7K zijn om daar wat nuttigs mee te doen. Verder kan je (zoals je zelf zegt: zonder ster als energiebron in de nabijheid) andere elektromagnetische straling verwaarlozen.

Dan heb je nog de cosmic ray's. Daar heb ik even een hele ruwe schatting gemaakt voor rond de 10^11 eV: een oppervlak van 1 m^2 zou met 100% rendement ongeveer 2*10^-8 Watt opleveren. En als je eerlijk bent zou je een nog hogere energie moeten nemen, wat een kleiner vermogen oplevert en een lager redement.

[Xanaroth]

Wel erg interessant, dan zou je dus cellen in kantoren en dergelijke kunnen plaatsen zodat wij (mensen) met onze 37 graden elektriciteit gaan leveren.

Dan lijkt ook the matrix ineens niet meer zo fictief, human farms..

[Swerfer]

Alleen zijn wij niet efficient in warmte opwekken als het gaat om broeikasgassen. Wat wij eten (vooral vlees) heeft veel energie gekost en bij vlees zelfs veel broeikasgassen geproduceerd.

[wizzkizz]

Maar aangezien we dit toch sowieso eten, ongeacht of we de restwarmte weer kunnen gebruiken of niet, mag je dit niet meetellen. Het zijn zogeheten sunk-costs, "kosten" die je sowieso maakt ongeacht welke beslissing je uiteindelijk neemt. Daarom zijn ze niet van invloed op die uiteindelijke beslissing. Dus als je onze restwarmte gebruikt, heb je dus "gratis" energie.

[Reactie gewijzigd door wizzkizz op 23 juli 2024 10:46]

[Yezpahr]

Je hebt gelijk, maar let wel op, alleen de rest-warmte.

Als je dus de warmte afpakt die direct op je lichaam zit, dan zal je lichaam energie daarnaartoe verplaatsen, puur omdat je lichaam daar iets kouder word.

Als je de energie telt die je lichaam verplaatst, die het anders niet zou verplaatsen, dan heb je geen free energie. Andere non-free energy's zijn bijvoorbeeld de kinetische krachten die je gebruikt tijdens het kauwen, op je rechter arm leunen of typen.

Maar het punt is ook dat je lichaam ontzettend veel energie verprutst. Die verprutste energie kan bijvoorbeeld zijn, de warmte die je uitademt.
De uitgeblazen warmte zou perfect gebruikt kunnen worden voor theoretische gratis energie.
Andere warmtes, zoals ruft-warmte of warmte dat je uitgekotst hebt, valt ook onder deze categorie.

[Aham brahmasmi]

Maar aangezien we dit toch sowieso eten, ongeacht of we de restwarmte weer kunnen gebruiken of niet, mag je dit niet meetellen.

Tenzij je vegetariër bent.

[pizzafried]

ja die mag je niet meetellen ..daarbij kan me niet voorstellen dat als er eentje vegetarier is gelijk een heel kantoor vegetarier is.

[vlaaing peerd]

Een vegetarier verbruikt wel stukken minder energie voor zijn voedselconsumptie, die is dus vooraf al energie aan het besparen, maar levert wel dezelfde hoeveelheid restwarmte.

[Klaphekje]

Helaas niet, Volgens de thermodynamica betekent dit alleen dat wij meer energie zouden verliezen. Om dit te compenseren zou je dus meer moeten eten om niet uitgeput te raken.

[suf]

Om in het enge hoekje te blijven, er is al een patent op een implanteerbaare RFID chip die actief zendt met lichaamstempratuur als energie bron (ADSX heette het bedrijf , is nu failliet)

[Japs]

In berekeningen van benodigde koeling/verwarming in gebouwen wordt ook altijd rekening gehouden met het verwachtte aantal mensen dat zich in ruimtes bevindt.
Als ik me niet vergis (correct me if i'm wrong) wordt als vuistregel vaak gerekend met een warmtebron van 100W per mens...vooral in iets als een concertzaal heeft dat natuurlijk een grote impact.

[edit: typo]

[Reactie gewijzigd door Japs op 23 juli 2024 10:46]

[Verwijderd]

Versies met de radio-isotoop worden waarschijnlijk nooit geschikt voor gebruik in consumentenelektronika, maar een levensduur van 30 jaar schept zeker mogelijkheden voor bijvoorbeeld ruimtevaart en andere militaire toepassingen.

Wel jammer dat er nergens een indicatie wordt gegeven hoe dicht deze ontwikkeling staat bij haar uiteindelijke toepassingen; gaat het nog jaren of tientallen jaren duren voordat je een brandstofcel in je iPhone propt?

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 10:46]

[Durandal]

Ik weet het nog niet. Een rookmelder bevat geloof ik ook een radio isotoop en is consumenten electronica.

[rud]

Een rookmelder stop je niet in je broekzak

Sommige rookmelders bevatten een kleine hoeveelheid radioactief materiaal niet als energiebron maar om brand mee vast te kunnen stellen. De huidige generatie rookmelders werken allemaal optisch.

[knirfie244]

Vroeger gebruikte rookmelders een radio isotoop ja. Maar deze zijn ondertussen al ruim een decennia verboden over zo een beetje de hele wereld.

[Xanaroth]

Ik denk dat je jezelf al min of meer antwoord hebt gegeven.
"schept zeker mogelijkheden voor bijvoorbeeld ruimtevaart en andere militaire toepassingen."

Gezien de geheimzinnigheid vanwege o.a. veiligheid zullen we waarschijnlijk niet snel exacte info krijgen.

[Student1563424]

Niet waar. Er zijn zelfs thermoëlectrische pacemakers die op radioactief plutonium-238 werken.

http://www.orau.org/ptp/c...scellaneous/pacemaker.htm

[Reactie gewijzigd door Student1563424 op 23 juli 2024 10:46]

[coretx]

Ruimtevaart is geen militaire toepassing.
En gezien de dreiging van militair geweld in de ruimte is het denk ik verstandig om wat minder nonchalant met dergelijke generalisatie om te gaan.

[elteck]

??? Waar staat dat ze isotopen gebruiken? Ze zetten warmte (phononen) om naar IR straling, die vervolgens met een PN juntie, met getunede bandgap in electriciteit omgezet wordt. Ze kunnen zowel warmte als radio actieve straling omzetten. Maat dat wil niet zeggen dat die cel zelf isotopen bevat.
Als het rendement echt goed is, zou het ook interessant kunnen zijn om electriciteit uit restwarmte op te wekken.

[brunoj]

Wat dacht u van restwarmte? Komt in vrijwel elke energieconversie voor, en gaat nu helemaal verloren... als dit goedkoop geproduceerd kan worden kan het een enorme betekenis hebben voor onze totale energieefficiency.

[deej1977]

Zat net hetzelfde te denken. Conceptueel zou je dan een PSU maken met zo'n cellen in die de warmte van de GPU en de CPU gebruikt om z'n efficientie te verbeteren. Je data center wordt bij wijze van spreken een beetje zelfbedruipend of alvast minder afhankelijk van externe stroombronnen.

Hetzelfde met koelkasten, wasmachines, televisies, noem het maar. In feite kan elk elektrisch apparaat in theorie hiermee efficienter worden gemaakt.

Of het haalbaar is weet ik helemaal niet, daarvoor ben ik technisch niet genoeg vertrouwd met heel de materie. Maar conceptueel bevalt het me wel

[Ytrog]

" Met behulp van nanostructuren die op het oppervlak van de infrarood-straler werden aangebracht, konden zij de geproduceerde golflengtes precies afstemmen om de band gap van de pv-cellen."
Ligt dit aan mij of klinkt het alsof ze gebruik hebben gemaakt van meta-materialen?

[Floort]

Dat lijkt me geen vreemde conclusie. Een meta-materiaal is gewoon een materiaal die eigenschappen ontleent aan de structuur en niet alleen stof waarvan het gemaakt is.

[MarluXiaXl]

Laatstgenoemde warmtebron wordt in een knoopcel gebruikt met een microreactor waarin butaan of propaan verbrand wordt.

Hoewel het mooi is dat dit een techniek is die zich kan meten met een lithiumion accu, vind ik de maniet hoe erg jammer. Ik neem aan dat ook hier geldt dat als je butaan/propaan verbandt er CO2 vrijkomt.

En een versie met een radio-isotoop vind ik nou ook niet echt een leuk idee.
Waar zal deze techniek dan uiteindelijk worden toegepast?
Edit: Voor de radio-isotoop is inderdaad wel een plek ergens in de ruimtevaart

[Reactie gewijzigd door MarluXiaXl op 23 juli 2024 10:46]

[AxzZzeL]

Ik denk dat implementatie vooral geschikt is in warmte genererende elektronica als processors weer een deel van het vermogen terug aan de schakeling te kunnen leveren. Natuurlijk moet het niet te veel kosten omzoiets per watt nuttige teruggewonnen energie te maken.

Daarnaast zou iets da straling met kortere golflengte als in gammestraling (overvloedig aanwezig in het heelal) omzet in nuttigere energie goed bruikbaar zijn maar als ik goed lees zijn vooral radiogolven (erg lange golflengte) voor deze cellen bruikbaar.

[Aham brahmasmi]

Daarnaast zou iets da straling met kortere golflengte als in gammestraling (overvloedig aanwezig in het heelal) omzet in nuttigere energie goed bruikbaar zijn maar als ik goed lees zijn vooral radiogolven (erg lange golflengte) voor deze cellen bruikbaar.

Radioisotoop wil zeggen een radioactieve isotoop. Deze produceren geen radiogolven maar bijvoorbeeld gammastraling (wat je zelf al noemde). Verder zijn deze thermische zonnecellen geschikt voor infrarood, wat niet bepaald dicht bij radiogolven ligt qua frequentie.

[ravenamp]

Ik zit meer aan zelf regulerende ventilatoren voor bijvoorbeeld CPU's te denken.

[Thedr]

Interessante ontwikkeling! Met name voor ruimtevaart lijkt me dit zeer geschikt: het kan redelijk wat energie leveren (iig meer dan Lithium-ion) en gaat ook nog eens lang mee in het geval van een radio-isotoop

[flamingworm]

Dit wordt al tientallen jaren in de ruimtevaart toegepast...

[shirasu88]

Niet alleen in de ruimtevaard met de juiste schilden is een kleine isotoop-accu die 30 jaar mee gaat in vele plaatsen een erg goede uitkomst:
Aardbevingscensoren welke niet elke week gecontroleerd moeten worden en ook nog eens 30 jaar lang data zouden vastleggen als niks eerder stuk gaat.
halsbanden voor dieren welke hun hele leven mee zouden kunnen gaan en een duidelijk gps signaal versturen.
onderzee torpedo's die 30 jaar lang over de boden zoeken naar verdwenen schepen (scheeld die mannen op de boten weer heel wat nutteloze tochtjes naar wrakken.
weersbalonnen die niet meer neerdalen tot ze hun levensduur voltooid hebben en blijvend data kunnen opslaan / sturen.

Op heel veel vlakken kan deze techniek een blijvend positieve invloed hebben mits er goed mee overweg gegaan word.

pun: lekker sterke isotoop en he hebt zo een lazer gun in je hand eindelijk geen grote accu op de rug meer nodig ^^

[Kosonik]

Het is extreem moeilijk om restwarmte effectief te gebruiken. Dit komt omdat bij elke omzetting alleen meer "Chaos" (entropie) gemaakt kan worden. Bij energie-gebruik wordt altijd iets met een hoge energie-dichtheid (benzine, electriciteit) omgezet in iets met lagere energie-dichtheid (deel nuttige energie zoals beweging etc, deel restwarmte).

Bij het gebruik van restwarmte moet er ook altijd een energieVERSCHIL zijn. Daarom is koelwater van 30 graden celcius (in dit geval materiaal met "hoge energiedichtheid") t.o.v. de luchttemperatuur van 20 graden (verschil van 10 graden) niet goed bruikbaar. Een electriciteitsturbine kan wel makkelijk energie opwekken als er een energieverschil is van bijvoorbeeld 100 graden.

Energie halen uit de warmte die mensen produceren is dan ook niet handig. Energie is er genoeg, maar het is te veel verspreid. Wellicht dat een computerchip die 80 graden wordt, wel gebruikt kan worden om energie uit terug te winnen. Bedenk dat een butaanvlam of gammastraling een nog véél hogere "energie-dichtheid" hebben, en dat hieruit sowieso al efficient energie gehaald kon worden. Dit is slechts een andere methode.

http://nl.wikipedia.org/wiki/Entropie

[mrlammers]

een energieverschil is van bijvoorbeeld 100 graden

Huh? Sinds wanneer drukken we energie uit in graden?

Misschien heb je weleens van een OTEC gehoord? Zie:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_thermal_energy_conversion
en
http://home.tudelft.nl/fi...n_Challenge_OTEC_Demo.pdf

Een Ocean Thermal Energy Converter (OTEC) Kan met minimale temperatuurverschillen (5 tot 10 graden) een bruikbaar rendement leveren, maar hoe hoger de temperatuursverschillen, hoe beter.

Met name Scandinavië, Frankrijk en Japan lijken hier goed in (Protac, Statkraft, Brest Métropole Océane, Mitsubishi, Xenesys) . Thermisch vervuild afvalwater of door de zon verwarmd zeewater, wordt met behulp van een warmtewisselaar naar een hogere temperatuur gebracht en zo ontstaat een temperatuurgradiënt van ca. 30 graden die afhankelijk van de installatie groot genoeg is voor zo'n 6400 kilowatt, jaarlijks goed voor 45 miljoen kilowatt. Naast dat dit soort systemen een hoog energetisch rendement hebben, verdienen dergelijke systemen zichzelf in een paar jaar terug ($).

Wellicht dat een computerchip die 80 graden wordt, wel gebruikt kan worden om energie uit terug te winnen.

Hoeveel 'energie' denk je dat er in een computerchip zit van 80 graden? Ik denk een stuk minder dan in de oceaan. En die is op sommige plaatsen maar 5 graden.