25.05.2020 - National University of Singapore

Nutzung des "Schatteneffekts" zur Stromerzeugung

Neuartiger "Schatteneffekt-Energiegenerator" nutzt Beleuchtungskontrast zwischen beleuchteten und abgeschatteten Bereichen

Schatten werden oft mit Dunkelheit und Unsicherheit in Verbindung gebracht. Jetzt geben Forscher der National University of Singapore (NUS) den Schatten einen positiven Dreh, indem sie einen Weg aufzeigen, wie dieser häufige, aber oft übersehene optische Effekt zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Dieses neuartige Konzept eröffnet der Leistungselektronik neue Ansätze bei der Erzeugung grüner Energie unter Innenlichtbedingungen.

Ein Team der NUS-Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie der NUS-Abteilung für Physik entwickelte ein Gerät namens "Schatteneffekt-Energiegenerator" (shadow-effect energy generator, SEG), das den Beleuchtungskontrast zwischen beleuchteten und abgeschatteten Bereichen zur Stromerzeugung nutzt. Über ihren Forschungsdurchbruch wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Energy & Environmental Science am 15. April 2020 berichtet.

"Schatten sind allgegenwärtig, und wir nehmen sie oft als selbstverständlich hin. Bei herkömmlichen photovoltaischen oder optoelektronischen Anwendungen, bei denen eine konstante Lichtquelle zur Stromversorgung der Geräte verwendet wird, ist die Anwesenheit von Schatten unerwünscht, da sie die Leistung der Geräte verschlechtert. In dieser Arbeit haben wir den durch Schatten verursachten Beleuchtungskontrast als indirekte Energiequelle genutzt. Der Beleuchtungskontrast induziert eine Spannungsdifferenz zwischen dem schattierten und dem beleuchteten Bereich, was zu einem elektrischen Strom führt. Dieses neuartige Konzept der Energiegewinnung in Gegenwart von Schatten ist beispiellos", erklärte der Leiter des Forschungsteams, Assistenzprofessor Tan Swee Ching vom Department of Materials Science and Engineering der NUS.

Mobile elektronische Geräte wie Smartphones, Smart-Brillen und E-Uhren benötigen eine effiziente und kontinuierliche Stromversorgung. Da diese Geräte sowohl in Innenräumen als auch im Freien getragen werden, können tragbare Stromquellen, die das Umgebungslicht nutzen könnten, die Vielseitigkeit dieser Geräte potenziell verbessern. Während kommerziell erhältliche Solarzellen diese Aufgabe in einer Außenumgebung erfüllen können, sinkt ihre Energieernte-Effizienz unter Innenbedingungen mit anhaltendem Schattenwurf erheblich. Dieser neue Ansatz, Energie sowohl aus der Beleuchtung als auch aus Schatten, die mit niedrigen Lichtintensitäten verbunden sind, zu gewinnen, um die Effizienz der Energiegewinnung zu maximieren, ist sowohl spannend als auch zeitgemäß.

Um sich dieser technologischen Herausforderung zu stellen, entwickelte das NUS-Team ein kostengünstiges, einfach zu fertigendes SEG, das zwei Funktionen erfüllt: (1) den Beleuchtungskontrast von partiellen Schattenwürfen in Elektrizität umzuwandeln, und (2) als selbstversorgter Näherungssensor zur Überwachung vorbeifahrender Objekte zu dienen.

Stromerzeugung durch den "Schatteneffekt"

Das SEG besteht aus einem Satz von SEG-Zellen, die auf einer flexiblen und transparenten Plastikfolie angeordnet sind. Jede SEG-Zelle ist eine dünne Goldschicht, die auf einem Silizium-Wafer aufgebracht ist. Sorgfältig entworfen, kann das SEG im Vergleich zu kommerziellen Siliziumsolarzellen zu geringeren Kosten hergestellt werden. Das Team führte dann Experimente durch, um die Leistung des SEG bei der Stromerzeugung und als selbstversorgter Sensor zu testen.

"Wenn die gesamte SEG-Zelle unter Beleuchtung oder im Schatten steht, wird nur sehr wenig oder gar kein Strom erzeugt. Wenn ein Teil der SEG-Zelle beleuchtet wird, wird eine signifikante elektrische Leistung festgestellt. Wir haben auch festgestellt, dass die optimale Oberfläche für die Stromerzeugung dann gegeben ist, wenn die Hälfte der SEG-Zelle beleuchtet und die andere Hälfte im Schatten ist, da dies genügend Fläche für die Ladungserzeugung bzw. -abnahme bietet", sagte der Co-Teamleiter Professor Andrew Wee vom Fachbereich Physik des NUS.

Basierend auf Laborexperimenten ist das vierzellige SEG des Teams unter dem Einfluss von sich verschiebenden Schatten doppelt so effizient wie kommerzielle Siliziumsolarzellen. Die aus dem SEG gewonnene Energie in Gegenwart von Schatten, die unter Innenlichtbedingungen entstehen, reicht aus, um eine Digitaluhr zu betreiben (d.h. 1,2 V).

Darüber hinaus zeigte das Team auch, dass das SEG als selbstversorgter Sensor zur Überwachung sich bewegender Objekte dienen kann. Wenn ein Objekt am SEG vorbeigeht, wirft es einen intermittierenden Schatten auf das Gerät und löst den Sensor aus, um die Anwesenheit und Bewegung des Objekts zu erfassen.

Auf dem Weg zu geringeren Kosten und mehr Funktionalitäten

Das sechsköpfige Team nahm sich vier Monate Zeit, um die Leistung des Geräts zu konzipieren, zu entwickeln und zu perfektionieren. In der nächsten Forschungsphase wird das NUS-Team neben Gold auch mit anderen Materialien experimentieren, um die Kosten des SEG zu senken.

Die Forscher des NUS befassen sich auch mit der Entwicklung selbstversorgter Sensoren mit vielseitigen Funktionalitäten sowie mit tragbaren SEGs, die an der Kleidung befestigt werden, um bei normalen täglichen Aktivitäten Energie zu gewinnen. Ein weiteres vielversprechendes Forschungsgebiet ist die Entwicklung kostengünstiger SEG-Panels für die effiziente Energiegewinnung aus der Innenbeleuchtung.

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