Stanford kampüsünde bir çatı, Ekim 2021. Güneş batmış. Ticari bir silikon panel, hava sıcaklığının birkaç derece altına inmiş. Panelin altına bağlanan küçük bir termoelektrik modül, bu sıcaklık farkından yaklaşık elli miliwatt güç üretiyor. Yani metrekare başına elli miliwatt. Rakam küçük görünüyor; ama mantık büyük: panel artık ışık toplamazken, gece gökyüzüne ısı kaçırarak elektrik üretiyor.1
- Stanford ekibi, ticari bir güneş paneline termoelektrik modül ekleyerek açık gecede metrekare başına elli miliwatt ölçtü.
- Işınımsal soğutma, nesnenin kızılötesi ışımayla uzayın soğuğuna ısı vermesi; panelin hava sıcaklığının altına inmesinin sebebi bu.
- Göz ardı edilmenin asıl nedeni güç yoğunluğu: gündüz panelin ürettiğinin binde biri mertebesinde kaldığı için batarya yarışını henüz kazanamıyor.
- Yine de şebekesiz sensör, bekleme aydınlatması ve bataryasız düşük güç için bu hat kapanmış değil.
Panel neden soğuyor?
Gündüz güneş paneli foton yakalar. Gece aynı yüzey, atmosferin sekiz ile on üç mikrometre aralığındaki şeffaf penceresinden uzaya kızılötesi ışıma yapar. Uzayın arka plan sıcaklığı mutlak sıfıra yakın olduğu için net ısı akışı dışarı doğrudur. Açık ve kuru gecede yüzey, çevresindeki havadan birkaç derece daha soğuk olabilir. Bu olaya ışınımsal gökyüzü soğutması denir. Eski bir fizik; yeniliği, bu farkı elektrik üretmek için kullanmak.2
Termoelektrik etki basitçe şöyle işler: bir katının iki ucu arasında sıcaklık farkı varsa, serbest yük taşıyıcıları sıcak taraftan soğuk tarafa kayar ve bir gerilim oluşur. Seebeck katsayısı bu gerilim ile sıcaklık farkının oranıdır. Klasik termoelektrik jeneratörlerde sıcak taraf genelde bir ısı kaynağına bağlanır. Gece elektrik düzeneklerinde ise soğuk taraf gökyüzüne bakan yüzeye, sıcak taraf çevre havasına bağlanır. Isı, havadan panele ve oradan uzaya akar; yolun ortasındaki modül bu akıştan birkaç on miliwatt koparır.
2019: karanlıktan ışık
Aaswath Raman, Wei Li ve Shanhui Fan, 2019'da Joule dergisinde bu yaklaşımı deneyle gösterdi. Raf tipi bir termoelektrik modül, gökyüzüne bakan bir alüminyum disk ve çevre havası birleştirildi. Ölçülen güç yoğunluğu metrekare başına yaklaşık yirmi beş miliwatt oldu. Düzenek, batarya olmadan bir LED'i yakmaya yetti. Yani uzayın soğuğundan gelen ısı akışı, doğrudan görünür ışığa çevrildi. Bu, "gece fotovoltaik" değil; ışık olmadan, soğuma üzerinden elektrik.2
2022: paneli de işe katmak
Sid Assawaworrarit, Zunaid Omair ve Fan, aynı mantığı ticari bir güneş hücresine taşıdı. Applied Physics Letters'ta yayımlanan düzeneğe SunPower C-60 monokristal silikon hücre, altındaki alüminyum levha, termoelektrik modül ve bilgisayar soğutucusundan uyarlanmış bir ısı emici girdi. Hücre, kızılötesi geçiren bir polietilen filmle örtülü polistiren bir kutuya alındı; amaç parazitik ısı kaçaklarını kesmek. Stanford çatısında on ile on üç Ekim 2021 arasında ölçüm yapıldı. Açık gecede gece güç yoğunluğu metrekare başına elli miliwatt, açık devre gerilimi yüz milivolt civarına çıktı. Gündüz ise aynı termoelektrik katman, panelin ısınmasından ek güç verdi; panelle kıyaslanınca yüzde bir mertebesinde, ama sıfır değil.1
Sonraki termal mühendislik turlarında, özellikle yığılmış termoelektrik katmanlarla, gece güç yoğunluğunun yüz miliwattın üzerine çıktığı gösterildi. Fan ekibi, hücre yüzeyinin sekiz on üç mikrometre aralığındaki ışıma verimini yükseltmenin ve hücre ile modül alan oranını optimize etmenin yetmiş ile yüz miliwatt bandına götürebileceğini de not etti.3
Neden hâlâ kenarda?
Çünkü ölçek acımasız. İyi bir silikon panel gündüz, temiz gökyüzünde metrekare başına yüz elli watt civarı üretebilir. Bu, yüz elli bin miliwatt demektir. Gece ışınımsal soğutma hattı ise hâlâ onlarca, en iyi demoda yüz miliwatt civarında. Yani aynı metrekare, gece gündüzün binde biri kadar elektrik veriyor. Ev aydınlatması için kabaca yirmi metrekarelik bir yüzey gerekir; bu da çatı ekonomisinde bataryalı gündüz şarjıyla yarışmaz.4
İkinci engel hava. Bulut, nem ve şehir ışık kirliliği gökyüzü penceresini daraltır; soğuma zayıflar, güç düşer. Stanford ölçümlerinde gökyüzü açıkken net, bulutlanınca zayıflayan bir eğri görülür. Üçüncü engel alışkanlık: şebekesiz çözüm denince akla önce lityum batarya gelir. Batarya pahalıdır, yaşlanır, soğukta zayıflar; ama watt saati yüksek tutar. Gece soğutma jeneratörü ise watt saati düşük, ömrü uzun ve bakımı sade tutmayı vaat eder. Piyasa şu an watt saatini seçiyor.
Nerede hâlâ mantıklı?
Araştırmacıların kendi çerçevesi net: şebekesiz ve mini şebeke uygulamalarında gece bekleme aydınlatması, düşük güçlü cihaz şarjı, uzak yerlerdeki sensörler. Batarya taşınması zor veya değiştirilmesi pahalıysa, sürekli ama küçük bir damla elektrik işe yarar. Sensör ağı, tarım istasyonu, uzak röle: hepsi miliwatt ile yaşayabilir. Ev tipi çatı paneline "gece de tam güç" vaadi ise bu verilerle uyuşmaz. Teknoloji göz ardı edilmiyor çünkü işe yaramaz; göz ardı ediliyor çünkü çoğu yerde batarya hâlâ daha ucuz bir çözüm sunuyor: gündüz doldur, gece harca.
Asıl ders rakamda değil çerçevede. Güneş battıktan sonra elektrik yok sanmak, paneli yalnızca ışık toplayıcı sanmaktan geliyor. Aynı yüzey gece ısı kaçırıyor; kaçan ısıdan elektrik koparmak mümkün. Henüz evini aydınlatacak kadar değil. Ama uzayın soğuğunu bir kaynak saymak, yenilenebilir enerjinin gündüz tekeline sıkışmış hayalini genişletiyor. Göz ardı edilen şey mucize değil; küçük, dürüst ve hâlâ büyüyen bir hat.
Dipnotlar ve Kaynaklar
- Assawaworrarit, S., Omair, Z. ve Fan, S. (2022). "Nighttime electric power generation at a density of 50 mW/m² via radiative cooling of a photovoltaic cell", Applied Physics Letters, 120(14). DOI: 10.1063/5.0085205. Stanford çatı ölçümü (10-13 Ekim 2021); açık gecede ~50 mW/m², ~100 mV. ↩
- Raman, A. P., Li, W. ve Fan, S. (2019). "Generating Light from Darkness", Joule, 3(11), 2679-2686. DOI: 10.1016/j.joule.2019.08.009. ~25 mW/m² ve bataryasız LED gösterimi; ışınımsal gökyüzü soğutması temeli. ↩
- Omair, Z. vd. (2022). "Radiative-cooling-based nighttime electricity generation with power density exceeding 100 mW/m²", iScience, 25. DOI: 10.1016/j.isci.2022.104858. Yığılmış TEG ile >100 mW/m². ↩
- Physics World (27 Nisan 2022), Isabelle Dumé, "Solar cell keeps going after sunset": off-grid aydınlatma için ~20 m² yüzey tahmini; termal mühendislik ve iyileştirme yolları. ↩
kafa1milyon
Meraklı bir kafa. Bilimsel makaleleri, arşiv belgelerini ve saha notlarını okuyup gündelik dile çeviriyor; bilinmeyeni bilinmiyor diye yazmaktan çekinmiyor.
