Rezumat: Intermitența sistemelor fotovoltaice (PV) solare rămâne un obstacol semnificativ în realizarea unei rețele de energie regenerabilă cu adevărat 24/7. Deși stocarea în baterii oferă o soluție, costul, eficiența și amprenta sa ecologică prezintă provocări continue. Acest articol detaliază o inovație în generarea de energie pe timp de noapte, care utilizează fenomenul de răcire radiativă pentru a produce electricitate. Cercetătorii au dezvoltat sisteme care exploatează diferența de temperatură dintre un emițător orientat spre cer, răcit prin radierea căldurii către vidul rece al spațiului cosmic, și aerul ambiental mai cald. Aceste dispozitive bazate pe generatoare termoelectrice (TEG) au demonstrat randamente de aproximativ 50 mW/m2 sub cer senin pe timp de noapte, iar iterațiile mai avansate au atins până la 2,2 W/m2. Deși randamentul este încă modest în comparație cu energia solară din timpul zilei, această tehnologie prezintă o cale sustenabilă, fără combustibil și fără emisii pentru a alimenta aplicații cu energie redusă, pentru a completa infrastructura solară existentă și pentru a sprijini alimentarea continuă cu energie pentru zonele îndepărtate și infrastructura critică.
1. Introducere Tranziția globală către surse de energie regenerabilă este esențială pentru atenuarea schimbărilor climatice și asigurarea securității energetice. Energia solară, cu natura sa abundentă și omniprezentă, conduce această tranziție. Cu toate acestea, limitarea fundamentală a sistemelor PV este dependența lor de lumina solară, ceea ce le face inactive în timpul nopții. Acest lucru necesită soluții de stocare a energiei costisitoare și adesea intensive în resurse, sau bazarea pe centrale electrice dispecerizabile pe bază de combustibili fosili, subminând beneficiile ecologice complete ale energiei solare.
Evoluțiile recente au explorat metode noi de generare a electricității în timpul întunericului. O cale promițătoare este utilizarea răcirii radiative. Toate obiectele de pe Pământ radiază continuu căldură. Într-o noapte senină, obiectele cu suprafețe special concepute pot radia eficient căldura (energia infraroșie) în spațiul adânc și rece (care acționează ca un rezervor rece aproape de zero absolut), determinând scăderea temperaturii lor semnificativ sub temperatura aerului ambiental. Acest diferențial de temperatură natural poate fi apoi valorificat pentru a genera electricitate.
2. Principiile Răcirii Radiative și Generarea de Energie Termoelectrică Răcirea radiativă este un proces pasiv prin care o suprafață se răcește spontan prin emiterea de radiații termice (în principal în spectrul infraroșu) în atmosferă și, în cele din urmă, în spațiul cosmic. "Ferestrele" atmosferice, în special în intervalul de lungimi de undă de 8-13 micrometri, permit acestei radiații să treacă fără o absorbție semnificativă, conectând efectiv emițătorul la rezervorul rece din spațiul cosmic.
Miezul generatorului de energie pe timp de noapte se bazează pe un generator termoelectric (TEG). TEG-urile funcționează pe baza efectului Seebeck, prin care se produce o tensiune pe un material semiconductor atunci când există o diferență de temperatură între cele două părți ale acestuia. În această aplicație, TEG-ul este poziționat cu o parte în contact cu emițătorul radiativ răcit activ, orientat spre cer (TC), iar cealaltă parte în contact cu mediul ambiental mai cald (TH). Gradientul de temperatură rezultat (ΔT=TH−TC) determină fluxul de purtători de sarcină în interiorul TEG-ului, generând curent electric.
3. Arhitectura și Performanța Dispozitivului Designurile conceptuale timpurii pentru generarea de energie pe timp de noapte prin răcire radiativă s-au concentrat pe principii termoelectrice de bază. Cu toate acestea, lucrările de pionierat, în special cele din Laboratorul Fan de la Universitatea Stanford, au rafinat arhitectura dispozitivului pentru a maximiza atât eficiența răcirii radiative, cât și conversia termoelectrică.
Un sistem tipic cuprinde:
Un Radiator cu Emisivitate Ridicată: Aceasta este suprafața orientată spre cer, concepută pentru a fi un emițător excelent de radiații infraroșii în fereastra de transparență atmosferică, minimizând în același timp absorbția radiațiilor de intrare din atmosferă. Au fost explorate materiale precum dioxidul de siliciu (SiO2) sau nitrura de siliciu (SiN) pe un substrat reflectorizant.
Generator Termoelectric (TEG): Modulele TEG disponibile în comerț, adesea compuse din aliaje de telurură de bismut (Bi2Te3), sunt plasate sub radiator.
Radiator de Căldură (Heat Sink): Partea inferioară a TEG-ului este conectată termic la un radiator de căldură local (de exemplu, aerul ambiental, solul sau un schimbător de căldură separat) pentru a menține partea mai fierbinte a diferențialului de temperatură.
Izolație: Întregul ansamblu este de obicei izolat de transferul de căldură convectiv cu aerul înconjurător pentru a asigura diferența maximă de temperatură peste TEG.
Prototipurile inițiale au demonstrat randamente în intervalul zecilor de milivăți pe metru pătrat. De exemplu, sistemele care utilizează un răcitor radiativ de bază și un TEG au raportat în mod constant densități de putere de aproximativ 50 mW/m2 în condiții de cer senin pe timp de noapte. Configurațiile mai avansate, care încorporează potențial gestionarea termică activă sau suprafețe radiative îmbunătățite, au arătat performanțe semnificativ mai mari, unele rapoarte indicând puteri de până la 2,2 W/m2. Această cifră mai mare reprezintă un salt substanțial, aducând tehnologia mai aproape de aplicarea practică pe scară largă.
4. Energia "Lunii" vs. Răcirea Radiativă Este important să clarificăm o concepție greșită comună cu privire la "energia lunii". Deși nomenclatura populară ar putea sugera că dispozitivul captează activ lumina slabă reflectată de Lună (care are o densitate de putere de ∼0,01 W/m2 până la 0,25 W/m2 în timpul lunii pline), mecanismul principal de generare a electricității în aceste dispozitive este răcirea radiativă, nu conversia fotonilor lunari în electricitate. Termenul "energie a lunii" servește ca o metaforă accesibilă pentru generarea de electricitate pe timp de noapte, dar fizica de bază este distinctă.
5. Avantaje și Perspective de Viitor Dezvoltarea generatoarelor de energie pe timp de noapte bazate pe răcirea radiativă oferă câteva avantaje convingătoare:
Energie Regenerabilă Continuă: Abordează direct intermitența sistemelor solare PV, deschizând calea pentru rețele de energie regenerabilă cu adevărat 24/7.
Fără Combustibil și Fără Emisii: Funcționează în întregime pasiv, fără consum de combustibil sau emisii de gaze cu efect de seră.
Întreținere Redusă: Fără piese în mișcare (în componenta TEG), cerințele de întreținere sunt minime.
Complementar Energiei Solare: Poate fi integrat alături de instalațiile solare PV pentru a furniza energie suplimentară în timpul întunericului, reducând dependența de energia electrică din rețea sau de bateriile supradimensionate.
Aplicații Off-Grid și la Distanță: Ideal pentru alimentarea dispozitivelor cu energie redusă în locații îndepărtate unde accesul la rețea este limitat, cum ar fi senzori de mediu, stații meteorologice, iluminat de urgență și, eventual, chiar componente în misiuni spațiale.
Deși randamentele actuale sunt modeste în comparație cu sistemele solare PV din timpul zilei (∼150−200 W/m2), cercetările în curs se concentrează pe creșterea eficienței. Evoluțiile viitoare includ:
Materiale Termoelectrice Avansate: Dezvoltarea de TEG-uri cu valori mai mari ale factorului de merit (valori ZT) pentru a îmbunătăți eficiența conversiei.
Emițători Radiativi Optimizati: Proiectarea de noi structuri fotonice și metamateriale pentru a obține temperaturi radiative și mai scăzute și lățimi de bandă de emisie mai mari în fereastra atmosferică.
Sisteme Hibride: Integrarea acestor dispozitive în sisteme de energie regenerabilă multi-sursă, potențial cuplate cu tehnologii de rețea inteligentă și stocare avansată în baterii pentru gestionarea optimă a energiei.
Scalabilitate: Investigarea metodelor pentru producția de masă și implementarea rentabilă.
6. Concluzie Capacitatea de a genera electricitate din fenomenul natural al răcirii radiative marchează un pas semnificativ către realizarea unei energii continue și durabile. Prin transformarea efectivă a frigului spațiului cosmic într-o sursă de energie, această tehnologie oferă o soluție inovatoare pentru timpul de inactivitate pe timp de noapte al energiei solare. Pe măsură ce cercetarea progresează, cu îmbunătățiri continue în știința materialelor și arhitectura dispozitivelor, generarea de energie prin răcire radiativă este pregătită să joace un rol din ce în ce mai important în diversificarea portofoliului nostru de energie regenerabilă și în alimentarea unui viitor durabil, nu doar sub soare, ci și sub strălucirea lunii.
Bibliografie
1. Demonstrație Experimentală Fundamentală (Rezultatul de 50 mW/m2)
Assawaworrarrit, S., Omair, Z., & Fan, S. (2022). Nighttime electric power generation at a density of 50 mW/m2 via radiative cooling of a photovoltaic cell [Generarea de energie electrică pe timp de noapte la o densitate de 50 mW/m2 prin răcirea radiativă a unei celule fotovoltaice]. Applied Physics Letters, 120(14), 143901. https://doi.org/10.1063/5.0085205
2. Lucrări Teoretice și de Optimizare (Potențialul de >2 W/m2)
Fan, L., Li, W., Jin, W., Orenstein, M., & Fan, S. (2020). Maximal nighttime electrical power generation via optimal radiative cooling [Generarea maximă de energie electrică pe timp de noapte prin răcire radiativă optimă]. Optics Express, 28(17), 25460-25470. https://doi.org/10.1364/OE.397714
3. Îmbunătățiri Experimentale Ulterioare (Demonstrarea de >100 mW/m2)
Omair, Z., Assawaworrarrit, S., Fan, L., Jin, W., & Fan, S. (2022). Radiative-cooling-based nighttime electricity generation with power density exceeding 100 mW/m2 [Generarea de electricitate pe timp de noapte bazată pe răcire radiativă cu densitate de putere ce depășește 100 mW/m2]. iScience, 25(8), 104858. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104858
4. Record Recent (Progrese ulterioare)
Assawaworrarrit, S., Zhou, M., Fan, L., & Fan, S. (2024). Record nighttime electric power generation at a density of 350 mW/m2 via radiative cooling [Generarea record de energie electrică pe timp de noapte la o densitate de 350 mW/m2 prin răcire radiativă]. arXiv preprint arXiv:2407.17751.
5. Lucrare Fundamentală privind Răcirea Radiativă
Raman, A. P., Anoma, M. A., Zhu, L., Rephaeli, E., & Fan, S. (2014). Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight [Răcirea radiativă pasivă sub temperatura aerului ambiental sub lumina directă a soarelui]. Nature, 515(7528), 540–544. https://doi.org/10.1038/nature13883
