Исследователи обнаружили новый термофотоэлектрический элемент (TPV), который преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов, что почти соответствует характеристикам традиционных паротурбинных электростанций. Ячейки потенциально могут быть использованы в сетевых «тепловых батареях», надежно генерирующих энергию без движущихся частей.
Термофотоэлектрические элементы работают, нагревая полупроводниковые материалы достаточно, чтобы значительно увеличить энергию фотонов. При достаточно высоких энергиях эти фотографии могут вытолкнуть электрон через «запрещенную зону» материала, генерируя электричество. До сих пор ячейки TPV достигали КПД всего до 32 процентов, потому что они работают при более низких температурах.
Напротив, новый дизайн от Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) использует энергию от раскаленных добела источников тепла в диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию (от 3452 до 4352 градусов по Фаренгейту). Для этого в нем используются металлические сплавы с «широкой запрещенной зоной», расположенные поверх сплава с немного меньшей шириной запрещенной зоны.
Слой с высокой шириной запрещенной зоны захватывает фотоны с самой высокой энергией от источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией проходят через первый слой и добавляют к напряжению. Любые фотоны, которые проходят через двухслойную структуру, отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, чтобы избежать потери энергии.
Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети.
Измерив эффективность с помощью датчика теплового потока, команда обнаружила, что мощность зависит от температуры. При температуре от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новая конструкция TPV производила электричество с КПД около 40 процентов.
Паровые турбины могут обеспечить такую же эффективность, но они гораздо сложнее и работают только при более низких температурах. «Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, поскольку у них нет движущихся частей», — сказал MIT News профессор Массачусетского технологического института Асегун Генри . «Они просто сидят и надежно производят электроэнергию».
В сетевой тепловой батарее система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить ее в хорошо изолированных банках горячего графита. При необходимости элементы TPV могут преобразовывать это тепло в электричество и отправлять его в энергосистему. Экспериментальная ячейка была размером всего лишь в квадратный сантиметр, поэтому команде пришлось увеличить ее примерно до 10 000 квадратных футов для энергоснабжения на уровне сети, но технология для создания ячеек такого масштаба уже существует, отмечает Генри.
«Термофотоэлектрические элементы стали последним ключевым шагом к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией», — сказал он. «Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети».
Изображение: Массачусетский технологический институт
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com