Sid Assawaworrarit, cercetător la Universitatea Stanford, California, a dezvoltat o tehnologie care permite generarea de energie solară pe timpul nopții, ceea ce poate reduce nevoia de a instala baterii costisitoare în multe aplicații de energie solară. Noua tehnologie profită de o proprietate surprinzătoare a panourilor solare. Întrucât pe timpul nopții panourile solare (ca orice obiect cu o temperatură mai mare de zero absolut) emit radiații infraroșii, lumina infraroșie emisă de suprafața panourilor solare poate radia liber în spațiu.
„În timpul zilei, lumina care vine de la Soare lovește celula solară, dar în timpul nopții lucrurile se petrec aproape invers”, spune Sid Assawaworrarit. „De fapt, lumina iese din panoul solar nocturn și o folosim pentru a genera electricitate noaptea. Fotonii care ies din panou noaptea răcesc de fapt celula solară”, spune el.
Pe măsură ce acești fotoni părăsesc suprafața îndreptată către cer a panoului solar, ei transportă căldură. Asta înseamnă că într-o noapte senină, când nu există nori care să reflecte lumina infraroșie înapoi către Pământ, suprafața unui panou solar va fi cu câteva grade mai rece decât aerul din jurul său. Această diferență de temperatură este cea de care profită Assawaworrarit și colegii săi. Un dispozitiv numit generator termoelectric poate capta o parte din diferența de temperatură dintre aerul atmosferic mai cald și panoul solar mai rece și o poate transforma în energie electrică.
În prezent, energia produsă de panoul solar nocturn este destul de mică. Într-o noapte senină, dispozitivul testat de Assawaworrarit pe acoperișul Universității Stanford generează aproximativ cincizeci de miliwați pentru fiecare metru pătrat de panou solar (50mW/m2). Dar Assawaworrarit și echipa sa nu s-au oprit aici. Cu câteva îmbunătățiri (și într-o locație bună) un astfel de dispozitiv ar putea genera o cantitate de electricitate de două ori mai mare.
„Limita teoretică este probabil de 1 sau 2 wați pe metru pătrat”, spune el. „Nu este o valoare mare, dar există o mulțime de posibile aplicații” în care acest tip de energie pe timp de noapte ar fi util. De exemplu, o mare parte a populației lumii, aproximativ un miliard de oameni, nu are acces la o rețea electrică. Oamenii care trăiesc în această situație „se pot baza pe soare în timpul zilei, dar noaptea nu au ce face”, spune el.
Spre deosebire de bateriile care se degradează substanțial după câteva mii de cicluri de funcționare, tipul de generatoare termoelectrice utilizate în aceste panouri solare sunt în stare solidă, „deci durata de viață este aproape infinită”, spune el.
O altă utilizare a tehnologiei ar putea fi alimentarea imensei rețele de senzori de mediu pe care cercetătorii o folosesc pentru a urmări orice, de la condițiile meteorologice până la speciile invazive din colțurile îndepărtate ale globului. Din nou, panourile solare care generează o cantitate mică de electricitate pe timp de noapte ar putea reduce nevoia de baterii și costurile de întreținere și înlocuire a acestora.
„Dacă poți obține până la un watt pe metru pătrat, este foarte atractiv din punct de vedere al costurilor”, spune Assawaworrarit.
Pământul primește în mod constant o cantitate uriașă de energie de la Soare, până la 173.000 de terawați. Norii, particulele din atmosferă și suprafețele reflectorizante precum munții acoperiți de zăpadă reflectă imediat 30% din acea energie în spațiu. Restul ajunge să încălzească pământul, oceanele, norii, atmosfera și orice altceva de pe planetă. Dar acea energie nu rămâne aici. Cu excepția căldurii suplimentare pe care gazele cu efect de seră au captat-o odată ce oamenii au început să ardă cantități mari de combustibili fosili începând cu Revoluția Industrială, Pământul trimite în spațiu aproximativ tot atâta energie câtă primește. De aceea, planeta emite o cantitate cu adevărat uluitoare de energie sub formă de radiație infraroșie.
„Este un fel de lumină”, spune Assawaworrarit. Radiația infraroșie emisă de Pământul cald (sau orice alt obiect) are lungimi de undă prea lungi pentru a fi vizibilă, dar transportă energie. De fapt, mai mult de jumătate din cantitatea totală de energie solară care lovește Pământul trece prin acest proces, revenind în cele din urmă în spațiu. Ceea ce au făcut Assawaworrarit și colegii săi a fost să conceapă o nouă modalitate de a capta acea energie. Ei nu sunt primii care folosesc un generator termoelectric pentru a capta acest tip de energie. Prin integrarea acestei noi tehnologii în panouri solare care generează energie electrică în timpul zilei, cercetătorii au făcut un pas important înainte pentru a face posibil ca oricine să poată capta și utiliza această energie.
Oamenii de știință moderni nu sunt primii care au observat că o suprafață îndreptată spre un cer senin de noapte poate deveni mai rece decât aerul din jurul ei. Fenomenul se numește răcire radiativă și probabil că l-am observat cu toții la prima oră a dimineții. Este cel mai evident în cazul ierbii, când temperaturile scad până la puțin peste punctul de îngheț al apei.
„Chiar dacă temperatura aerului este cu câteva grade peste punctul de îngheț, temperatura ierbii este de fapt mai scăzută. Dacă temperatura ierbii este cu câteva grade sub temperatura aerului, iar aceasta este puțin peste nivelul de îngheț, atunci temperatura ierbii ar putea fi de fapt sub punctul de îngheț”, spune Assawaworrarit.
Este un fenomen ciudat și subtil care se întâmplă doar atunci când cerul este senin. Acest lucru se datorează faptului că norii încălzesc pământul reflectând lumina infraroșie înapoi spre suprafața Pământului. „Nu o veți vedea pentru că se întâmplă la o lungime de undă pe care oamenii nu o pot distinge”, dar răcirea radiativă are loc tot timpul, spune Assawaworrarit.
Înțelegerea fizicii folosite de panoul solar nocturn este doar o parte din munca cercetătorilor. Inginerii lucrează de ani de zile pentru a le face suficient de eficiente pentru a fi utile pentru utilizarea de zi cu zi.
„Ne-am blocat destul de mult la început, deoarece valorile pe care le obțineam inițial nu erau nici pe departe ceea ce așteptam”, spune el. După o analiză de câteva luni, primul experiment al echipei a arătat că dispozitivul a generat aproximativ o zecime din cantitatea de electricitate la care se așteptau. S-a dovedit că o se confruntă cu o mare problemă.
„O celulă solară nu este de fapt un foarte bun conductor termic”, spune Assawaworrarit. Aceasta era problema. Inginerii și-au dat seama că energia disipată prin marginile panoului solar reducea foarte mult producția de energie a sistemului, deoarece energia termică nu putea străbate cu ușurință celula solară în sine.
Oamenii de știință moderni nu sunt primii care au încercat să se folosească de răcirea radiativă. În sud-estul Iranului se găsesc vestigiile a zeci de case de gheață, numite Yakhchāls, pe care perșii antici le foloseau pentru a exploata fenomenul. Atunci când structurile erau în funcțiune, oamenii turnau apă în bazine puțin adânci de lângă casele de gheață. Chiar dacă temperatura aerului ajungea la 4 grade Celsius, apa îngheța. Dimineața, oamenii colectau gheața și o transferau într-o structură din apropiere asemănătoare unui stup, care folosea un set de diferite tehnici de răcire pasivă pentru a menține gheața pe tot parcursul verii.
Surse:
https://interestingengineering.com/stanford-solar-panel-night
https://en.wikipedia.org/wiki/File:20110102_Ice_House_(exterior)_Meybod_Iran.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Yakhchal_of_Yazd_province.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Yakhch%C4%81l_of_Kashmar2021.jpg
