Forschung -

Drohnen werden tagelang mit Fotovoltaikantrieb fliegen

Forscher der UC Berkeley stellten unlängst einen weiteren Rekord in der Effizienz der Fotovoltaik auf, eine Leistung, die zu einem ultraleichten Motor führen könnte, der Drohnen tagelang antreiben kann.

Seit 15 Jahren ist die Umwandlungseffizienz von Wärme in Elektrizität mit der Thermovoltaik bei 23 Prozent gewissermaßen festgefahren. Aber durch eine bahnbrechende physikalische Erkenntnis konnten die Forscher diesen Wirkungsgrad auf 29 Prozent steigern.

Mit einem neuartigen Design wollen die Forscher nun in naher Zukunft mit etablierten wissenschaftlichen Konzepten einen Wirkungsgrad von 50 Prozent erreichen.

Dieser Durchbruch hat große Auswirkungen auf Technologien, die derzeit auf schwere Batterien zur Energieversorgung angewiesen sind. Die Thermofotovoltaik ist eine ultraleichte alternative Energiequelle, die es Drohnen und anderen unbemannten Luftfahrzeugen ermöglichen könnte, tagelang kontinuierlich zu arbeiten.

Die Thermofotovoltaik könnte nach Ansicht der Forscher auch dazu verwendet werden, Weltraumsonden für Jahrhunderte und schließlich ein ganzes Haus mit einem Generator von der Größe eines Umschlags zu betreiben. Der Forschungsbericht erschien in den "Proceedings of the National Academy of Sciences".

"Die Thermofotovoltaik ist effizient für ein breites Anwendungsspektrum kompakt und extrem - von Systemen, die nur 100 Watt benötigen, wie zum Beispiel ein leichtes unbemanntes Luftfahrzeug, bis hin zu 100 MW-Systemen, die Strom für 36.000 Haushalte liefern."

"Im Vergleich dazu ist ein 100-MW-Kombikraftwerk massiv", sagte Eli Yablonovitch, Professor für Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Mitautor des Forschungsberichtes.

Laut Yablonovitch baut dieses Ergebnis auf einer Forschungsarbeit auf, die er und seine Studenten 2011 veröffentlichten Sie ergab, dass der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz von Solarzellen nicht darin besteht, mehr Photonen (Licht) zu absorbieren, sondern mehr zu emittieren.

Mit einem hochreflektierenden Spiegel auf der Rückseite einer Fotovoltaikzelle brachen sie damals Effizienzrekorde und haben dies auch mit weiterer Forschung fortgesetzt.

"Der Spiegel erzeugt ein dichtes infrarotlumineszierendes Photonengas innerhalb der Solarzelle, ein Phänomen, das die Spannung erhöht", sagte Yablonovitch.

Vor Kurzem erkannte sein Team, dass dieser Spiegel eine Doppelaufgabe erfüllen könnte. Tatsächlich löst es eine der größten Herausforderungen in der Thermofotovoltaik: Wie man die thermischen (Wärme-)Photonen, die zu wenig Energie haben, doch zur Elektrizitätserzeugung nutzen kann.

Es stellt sich heraus, dass der Spiegel diese kleinen Photonen reflektieren kann, um die Wärmequelle weiter zu erhitzen. Das ist eine zweite Chance für die Erzeugung eines hochenergetischen Photons, das Elektrizität erzeugt. Dieses Phänomen führt zu einer beispiellosen Effizienz.

"Wir haben dieses Rekordergebnis erreicht, obwohl wir nur einen einfachen Goldspiegel verwenden. Nunmehr werden wir eine dielektrische Schicht über dem Gold auftragen, was unseren Wirkungsgrad auf 36 Prozent verbessern wird", sagte Luis M. Pazos Outόn, Postdoc-Forscher im EECS und einer der Hauptautoren des Berichtes.

"Allein durch die Erhöhung des Reflexionsvermögens erreichen wir einen Wirkungsgrad von 36 Prozent. Aber, indem wir andere Optimierungen an der Zelle vornehmen und bewährte Techniken in der wissenschaftlichen Literatur verwenden, wissen wir, dass wir einen Wirkungsgrad von 50 Prozent erreichen können", sagte Zunaid Omair, ein graduierter Student im EECS und Erstautor des Berichtes.

"Vor unserem Ergebnis war der Wirkungsgrad der Thermofotovoltaik lange Zeit bei 23 Prozent festgefahren. Es ist also eine wirklich große Sache, von 23 auf 29 Prozent zu kommen."

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