Een vergeten energietechniek blijkt met een paar simpele ingrepen ineens verbluffend efficiënt. Het resultaat: een zonnegenerator die 15 keer krachtiger is en zonnepanelen het vuur aan de schenen legt.
Onderzoekers van de University of Rochester hebben een doorbraak bereikt in zonne-thermo-elektrische generatoren (STEG’s). Deze apparaten, die elektriciteit opwekken uit warmte, zijn dankzij een nieuwe techniek 15 keer krachtiger geworden dan eerdere versies. Dat zou ze op termijn in staat kunnen stellen om zonnepanelen op sommige terreinen te beconcurreren.
In tegenstelling tot fotovoltaïsche (PV) zonnepanelen, die uitsluitend zonlicht omzetten in elektriciteit, kunnen STEG’s gebruikmaken van elk temperatuurverschil – van zonnestralen tot industriële restwarmte. Volgens de studie, gepubliceerd in Light: Science and Applications, is de sprong in prestaties te danken aan slimme aanpassingen aan de warme en koude zijde van het apparaat, zonder dat de halfgeleidermaterialen zelf zijn veranderd.
Slimme warmtebeheersing
Tot nu toe wisten de meeste STEG’s minder dan 1% van het zonlicht om te zetten in elektriciteit, een schril contrast met de ongeveer 20% efficiëntie van gangbare PV-panelen. Het team rond hoogleraar Chunlei Guo richtte zich daarom niet op het verbeteren van de halfgeleider, maar op spectrale engineering en thermisch management.
Op de hete zijde van de generator gebruikten ze hun zogeheten “black metal”-techniek, waarbij met femtoseconde-laserpulsen nanostructuren in wolfraam worden geëtst. Deze structuur absorbeert zonlicht extreem efficiënt en beperkt tegelijkertijd warmteverlies door straling. Vervolgens werd een transparant kunststof laagje toegevoegd, dat als een mini-broeikas werkt en warmteverlies door convectie en conductie minimaliseert.
Koud koelen voor meer stroom
Aan de koude kant herhaalden de onderzoekers de lasertechniek, maar dan op aluminium. Het resultaat: microscopische structuren die de warmteafvoer verdubbelden ten opzichte van standaard koelblokken, dankzij betere warmtestraling én luchtstroming. Hierdoor ontstond een veel groter temperatuurverschil tussen de warme en koude kant – en dat levert rechtstreeks meer elektrische spanning op.
Kan ook ’s nachts energie opwekken
In praktijktests konden de verbeterde STEG’s LED’s veel effectiever aandrijven dan eerdere modellen. Volgens Guo biedt de technologie mogelijkheden voor energievoorziening in afgelegen gebieden, draagbare apparaten, en industriële sensoren die draaien op restwarmte in plaats van batterijen.
Omdat STEG’s niet afhankelijk zijn van direct zonlicht, kunnen ze ook ’s nachts of binnenshuis energie opwekken uit opgeslagen warmtebronnen of interne warmteprocessen. Dat maakt ze een interessante aanvulling op het bestaande palet aan duurzame technologieën.
Een stille revolutie in de maak?
Hoewel zonnepanelen voorlopig de hoogste efficiëntie behouden, kan deze doorbraak het speelveld verschuiven voor toepassingen waar warmte overvloedig aanwezig is. Van restwarmte in fabrieken tot zonne-energie in woestijngebieden: met 15 keer hogere prestaties zijn STEG’s plotseling een stuk serieuzer te nemen als duurzame energiebron.
