Onderzoekers van Stanford hebben een zonnepaneel uitgerust met een thermo-elektrische generator om een kleine hoeveelheid elektriciteit op te wekken uit het temperatuurverschil tussen de omgevingslucht en het oppervlak van een zonnepaneel.
De nieuwe technologie maakt gebruik van een verrassende eigenschap van zonnepanelen. "Overdag komt er licht van de zon en raakt de zonnecel, maar ‘s nachts gebeurt er iets omgekeerd", zegt hoofdonderzoeker Sid Assawaworrarit. Dat komt omdat zonnepanelen – zoals alles warmer dan het absolute nulpunt – infraroodstraling uitstralen.
"Er gaat eigenlijk licht uit [van het zonnepaneel], en dat gebruiken we om ‘s nachts elektriciteit op te wekken. De fotonen die de nachtelijke hemel ingaan, koelen de zonnecel in feite af", zegt hij.
Als die fotonen het hemelwaartse oppervlak van het zonnepaneel verlaten, dragen ze warmte met zich mee. Dat betekent dat op een heldere nacht – wanneer er geen wolken zijn om infrarood licht terug naar de aarde te reflecteren – het oppervlak van een zonnepaneel een paar graden koeler zal zijn dan de lucht eromheen. Dat temperatuurverschil is waar Assawaworrarit en zijn collega’s gebruik van maken. Een apparaat dat een thermo-elektrische generator wordt genoemd, kan een deel van de warmte die van de warmere lucht naar het koelere zonnepaneel stroomt opvangen en omzetten in elektriciteit.
Op een heldere nacht genereerde het apparaat. dat werd getest op het Stanford-dak, ongeveer vijftig milliwatt voor elke vierkante meter zonnepaneel (50 mW/m2). Dat is waarschijnlijk een record is", zegt Assawaworrarit. En met een paar verbeteringen (en op een goede locatie) verwachten de onderzoekers dat zo’n apparaat twee keer zoveel elektriciteit kan opwekken. "De theoretische limiet ligt vermoedelijk rond een of twee watt per vierkante meter. Dat is niet enorm veel, maar er zijn veel toepassingen waar dat soort energie ‘s nachts van pas zou komen."
Een groot deel van de wereldbevolking – ongeveer een miljard mensen – heeft bijvoorbeeld geen toegang tot een elektriciteitsnet. Mensen die in die situatie leven "kunnen overdag op zonne-energie vertrouwen, maar ‘s nachts kunnen ze niet veel doen", zegt hij. In tegenstelling tot batterijen die aanzienlijk verslechteren na een paar duizend laadcycli, is het soort thermo-elektrische generatoren dat in deze zonnepanelen wordt gebruikt, solid state, "dus de levensduur is vrijwel eeuwig".
Een andere kans is het aandrijven van het immense netwerk van omgevingssensoren die onderzoekers gebruiken om alles in de gaten te houden, van weersomstandigheden tot invasieve soorten in verre uithoeken van de wereld. Nogmaals, zonnepanelen die ‘s nachts een kleine hoeveelheid elektriciteit opwekken, kunnen de behoefte aan batterijen verminderen – en de onderhouds- en vervangingskosten die ze met zich meebrengen.
De aarde ontvangt voortdurend een enorme hoeveelheid energie van de zon, tot wel 173.000 terrawatt. Wolken, deeltjes in de atmosfeer en reflecterende oppervlakken zoals met sneeuw bedekte bergen reflecteren onmiddellijk 30 procent van die energie de ruimte in. De rest ervan verwarmt uiteindelijk het land, de oceanen, de wolken, de atmosfeer en al het andere op de planeet.
Maar die energie blijft hier niet. Afgezien van de warmte die broeikasgassen vasthouden, zendt de aarde ongeveer evenveel energie uit als ze ontvangt. Daarom zendt de planeet een werkelijk verbluffende hoeveelheid energie uit als infraroodstraling. "Het is een soort licht", zegt Assawaworrarit. De infrarode straling die gloeit van de warme aarde (of iets anders) heeft golflengten die te lang zijn voor ogen om te zien, maar het draagt wel energie. Meer dan de helft van de totale hoeveelheid zonne-energie die de aarde raakt, doorloopt dit proces en keert uiteindelijk terug naar de ruimte.
Wat Assawaworrarit en zijn collega’s hebben gedaan, is een nieuwe manier bedenken om die energie op te vangen wanneer deze de planeet verlaat. Ze zijn niet de eersten die een thermo-elektrische generator gebruiken om dit soort energie op te vangen, maar door deze nieuwe technologie te integreren met zonnepanelen die overdag elektriciteit opwekken, hebben de onderzoekers een belangrijke stap voorwaarts gezet om het voor gewone mensen mogelijk te maken om deze energie voor zichzelf te vangen.
Het begrijpen van de fysica achter deze nachtelijke zonnepanelen is echter slechts een deel van de strijd. Ingenieurs werken al jaren om ze efficiënt genoeg te maken om de moeite waard te zijn voor gebruik in de echte wereld. "In het begin liepen we behoorlijk vast, omdat de opbrengst niet in de buurt kwam van wat we verwachtten", zegt Assawaworrarit. Na maanden van cijferen, toonde het eerste experiment aan dat vroege iteraties van het apparaat ongeveer een tiende van de hoeveelheid elektriciteit produceerden die ze verwachtten.
Het bleek dat één groot probleem hen in de weg zat. "Een zonnecel is eigenlijk geen goede warmtegeleider." De ingenieurs realiseerden zich dat de energie die ontsnapte aan de randen van het zonnepaneel niet veel bijdroeg aan de energie-output van het systeem, omdat de thermische energie niet gemakkelijk door de zonnecel zelf kon reizen. Ze hebben het probleem verholpen door de zonnecel rechtstreeks op een aluminium plaat te bevestigen, waardoor de energie veel efficiënter wordt geleid.
"Terugkijkend klinkt het eenvoudig", zegt Assawaworrarit. "Maar op dat moment was het niet duidelijk."