Peltier-Zelle als Solarzelle im Weltall

Es gibt eine verwandte Frage: Kann der Temperaturunterschied zwischen innen und außen im Weltraum nützliche Energie liefern?

Das Problem dabei ist, dass es sich auf das Konzept des "heißen Inneren" und die Verwendung des Raums als Wärmesenke stützt - während es Quellen (wie die Sonne) gibt, die das "Außen" mehr aufheizen würden als das "Innen". , und im Allgemeinen eine Reihe anderer Probleme.

Nun sollte es eine viel einfachere Möglichkeit geben, die Wärmeübertragung auszunutzen: Nehmen wir ein Pad aus Peltier-Zellen, mit der Seite, die der Sonne zugewandt ist, mit einer stark absorbierenden Beschichtung und einer Reihe von Strahlern mit hohem Emissionsgrad auf der "dunklen Seite".

Das Grundproblem auf der Erde ist die "Umgebungstemperatur" - ungefähr so ​​viel Wärme, wie von der "gekühlten Seite" abgestrahlt wird, wird durch die Strahlung der Erde an sie zurückgegeben und durch Konvektion + Wärmeleitung von der Luft ausgeglichen. Im Weltraum gibt es den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), der, wenn ich das richtig verstehe, ziemlich schwach ist. Es gibt keine Konvektion, aber Strahlung ist ziemlich effizient. Das bedeutet, dass beträchtliche Wärmemengen von der Sonnenseite auf die Seite des "Weltraums" übertragen werden könnten, zumindest solange wir uns relativ nahe an der Sonne aufhalten.

Natürlich könnte eine solche Wärmeübertragung durch jede Energiequelle genutzt werden, die die Wärmeübertragung nutzt - wie eine Peltier-Zelle, oder sogar, wenn Sie bereit sind, so weit zu gehen, durch einen Stirling-Motor.

Wie würden solche Systeme nun gegen „altbewährte“ Photovoltaikzellen abschneiden? Könnte mir jemand ein paar Zahlen zuwerfen und vergleichen, was wir von der gleichen Oberfläche / Masse / Preis des einen mit dem anderen erwarten könnten?

Schlagen Sie vor, zumindest auf Wikipedia zu recherchieren. Neuere PV-Generationen sind verfügbar . Das Schlüsselwort ist Effizienz.
@DeerHunter: Beachten Sie, dass die Solarzelleneffizienzen nur für ein einzelnes Band oder eine streng begrenzte Anzahl von Bändern in einer Multibandzelle gelten. Alle anderen Frequenzen werden vollständig verschwendet. In der Zwischenzeit können Sie mit Thermotransfer eine stumme schwarze Farbe auf eine Blechschicht auftragen, die alles absorbiert und in Wärme umwandelt, was weit in Richtung X beginnt und irgendwo jenseits von Mikrowellen oder weiter endet. Das ist eine Menge Wärme, und selbst Verluste in der Größenordnung von 91 % reichen möglicherweise nicht aus, um den Gewinn aufzuwiegen, wenn einfach alles absorbiert wird, was absorbiert werden kann.
Das Problem ist, dass Sie die ganze Hitze danach ablehnen müssen.
@DeerHunter: Je höher die Temperatur, desto stärker die Strahlung. Irgendwann würden die Heizkörper aufholen und wir hätten einen ziemlich hohen Unterschied zwischen den beiden Oberflächen (es sei denn, das Ganze brennt und schmilzt vorher). Nun, was wäre der Unterschied? Welche Art von Wärmeübertragung?

Antworten (1)

Dieser Beitrag enthält keine Konstruktionsprobleme aus der realen Welt.

Wenn wir vermuten, dass die Temperatur auf der kalten Seite -30,0 Grad F (243 K) und die Temperatur auf der warmen Seite 250 F (394 K) beträgt ( Quelle ), sagt der Carnot-Zyklus einen Wirkungsgrad von 0,383 voraus.

Multipliziert mit dem maximalen Wirkungsgrad eines Peltier-Elements von 15 % ( thermoelektrische Kühlung ) beträgt der Nettowirkungsgrad 0,057 oder 5,7 %.

Eine 1 Quadratmeter große Fläche, die mit einer Energie von 120 W( Quelle ) bei 5,7 % beleuchtet wird, liefert nur 6,9 W.

Dies ist viel geringer als die Energie, die Sie mit typischen Solarmodulen erhalten (im Bereich von 20 % Quelle ).

bearbeitet - Wirkungsgrad viel niedriger als bei Sonnenkollektoren . Der Wirkungsgrad pro m^2 ist viel höher als bei Sonnensegeln - aber dann kostet ein m^2 Sonnensegel einen Bruchteil eines Cents; Ihre Effizienz kommt von enormer Oberfläche.
@Quonux Aber wie sieht es mit der Effizienz pro kg aus? Das wäre viel interessanter.
@Philipp: Derzeit sind Peltierzellen etwas schwerer als Solarzellen. Andererseits hat sich nie jemand die Mühe gemacht, Peltier-Zellen zu bauen, die sehr leicht sind. Der größte Teil ihres Gewichts stammt von schweren Kupferelementen, die die Wärme verteilen, wobei die thermoelektrischen Elemente einen relativ kleinen Bruchteil des Volumens ausmachen, sodass viel Raum für Verbesserungen besteht.
Können Sie eine Ableitung oder Referenz für die Ausgangsannahme geben, dass die kalte Seite nur -30 F betragen würde?
@NathanTuggy war nur eine Vermutung, wenn Sie es genau berechnen wollen, müssen Sie die einfallende Wärme / Energie von der Sonne berechnen, die Wärmeleitung des Materials und die Temperatur auf der dunklen Seite ist dann die stationäre Lösung davon (teilweise ?) Differentialgleichung. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz wird verwendet, um die (schwarze Körper-)Wärmestrahlung der beleuchteten/Schattenseite zu berechnen.
@Quonux Ich sehe die 120-W-Nummer nicht an der Quelle, auf die Sie zeigen. Ich sehe "die außerirdische Sonnenstrahlung beträgt 1367 Watt pro Quadratmeter" ... was die obigen Berechnungen zu 77,9 W führt. Obwohl es nicht unbedingt relevant ist, wenn Sie die Effizienz vergleichen: 5,7 % (Thermo) vs. 20 % (Solarmodule) ist ein Verlustgeschäft, unabhängig von der Eingabe.
@pjz: Fair genug, vorausgesetzt, Sie suchen nach einer Lösung für LEO-Power. Wenn Sie jedoch nach einer interplanetaren Sonde oder sogar nach einem ziemlich hoch umlaufenden Satelliten suchen oder so etwas wie einen Sonnenschutz haben, um die Erdstrahlung zu isolieren (was fast trivial ist), ist das eine ganz andere Geschichte. Es scheint also, dass -30 C nur dann der Fall sind, wenn Sie sich überhaupt nicht um die Optimierung des Systems kümmern.
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