Labāka termiskā fotoelementa

Jauna pieeja siltuma pārvēršanai elektroenerģijā, izmantojot saules baterijas, varētu padarīt tehnoloģiju, ko sauc par termisko fotoelementu (TPV), praktiskāku. MTPV , Bostonā bāzētais jaunizveidotais uzņēmums, kas ir savācis 10 miljonus ASV dolāru, saka, ka ir izstrādājis prototipus, kas ir pietiekami lieli praktiskiem lietojumiem. Uzņēmums nesen paziņoja par vienošanos par ierīču uzstādīšanu stikla rūpnīcās, lai ražotu elektroenerģiju no karstās izplūdes.





Karstais punkts: Mikroskopisks starpliks, ko izmanto, lai atbalstītu saules baterijas mazāk nekā mikrometru virs cita materiāla termiskajā fotoelektriskajā ierīcē.

Parasti siltuma fotoelementi izmanto saules baterijas, lai pārvērstu gaismu, kas izstaro no karstas virsmas, elektroenerģijā. Lai gan pirmie lietojumi būs elektroenerģijas ražošana no siltuma pārpalikuma, galu galā šo tehnoloģiju varētu izmantot, lai ražotu elektroenerģiju no saules gaismas daudz efektīvāk nekā saules paneļi. Šādā sistēmā saules gaisma tiek koncentrēta uz materiālu, lai to uzsildītu, un pēc tam saules baterijas izstarotā gaisma tiek pārveidota par elektroenerģiju.

Līdz šim tehnoloģija ir bijusi nepraktiska komerciāliem lietojumiem, daļēji vajadzīgās augstās temperatūras dēļ un daļēji tāpēc, ka pastāv konkurence ar esošajām tehnoloģijām, piemēram, tvaika turbīnām, lai pārveidotu siltumu elektroenerģijā. MTPV inovācija ir metode, kā 10 reizes palielināt fotonu plūsmu no apsildāmā materiāla uz saules paneli, salīdzinot ar tipiskām termiskām fotoelektriskajām sistēmām, kas varētu padarīt tās sistēmas mazākas, lētākas un praktiskas zemākā temperatūrā, saka Roberts DiMatteo, MTPV. izpilddirektors.



Parastais saules panelis absorbē gaismu no visa spektra, bet efektīvi pārvērš tikai noteiktas krāsas. Liela daļa enerģijas citos gaismas viļņu garumos tiek izniekota. Rezultātā parasto saules bateriju maksimālā teorētiskā efektivitāte ir 30 procenti vai 41 procents, ja saules gaisma vispirms tiek koncentrēta, izmantojot spoguli vai objektīvu. Termiskajā fotoelektriskajā sistēmā gaisma tiek koncentrēta uz materiālu, lai to uzsildītu. Materiāls ir izvēlēts tā, lai, kad tas kļūst karsts, tas izstaro gaismu viļņu garumā, ko saules baterija var efektīvi pārveidot. Rezultātā termiskās fotoelektriskās sistēmas teorētiskā maksimālā efektivitāte ir 85 procenti.

Praksē inženiertehniskie izaicinājumi to apgrūtinās, taču DiMatteo saka, ka uzņēmuma datoru modeļi liecina, ka efektivitātei vajadzētu būt lielākai par 50 procentiem. Prototipi nav tik efektīvi: tie aptuveni 10 līdz 15 procentus no siltuma, ko tie absorbē no stikla rūpnīcas izplūdes gāzēm, pārvērš elektrībā, kas, pēc DiMatteo teiktā, ir pietiekami, lai ierīces būtu ekonomiskas. (Paredzamā TPV ierīču efektivitāte arī ir daudz augstāka nekā paredzamā efektivitāte termoelektriskajām ierīcēm, kas tieši pārvērš siltumu elektroenerģijā.)

Galvenā atšķirība starp MTPV tehnoloģiju un citiem termiskiem fotoelementiem ir saules baterijas un apsildāmā materiāla novietojums (MTPV apzīmē mikronu atstarpes TPV). Savā darbā, vispirms būdams MIT students un vēlāk kā pētnieks Draper Laboratories Kembridžā, MA, DiMatteo atklāja, ka, novietojot uzkarsēto materiālu ārkārtīgi tuvu saules baterijai, daudz vairāk fotonu varēja izkļūt no noteiktā materiāla apgabala. absorbē saules baterija.



Parastā TPV sistēmā lielākā daļa fotonu, kas rodas karsētajā materiālā, tiek atspoguļoti atpakaļ materiālā, kad tie sasniedz tā virsmu; tā ir tā pati parādība, kas uztver gaismu optisko šķiedru kabeļos. Kad saules baterija un apsildāmais materiāls tiek tuvināti kopā tā, ka atstarpe starp tiem ir mazāka par izstarotās gaismas viļņa garumu, virsma vairs neatstaro gaismu. Fotoni pārvietojas no viena materiāla uz otru tā, it kā starp tiem nebūtu plaisas. Ciešais atstatums arī ļauj elektroniem vienā spraugas pusē pārnest enerģiju uz elektroniem otrā pusē. (Vakuums starp apsildāmo materiālu un saules bateriju uztur temperatūras starpību starp abiem, kas ir nepieciešamas, lai sasniegtu augstu efektivitāti.) Tā kā apsildāmais materiāls izstaro vairāk fotonu, saules baterija var ģenerēt 10 reizes vairāk elektroenerģijas noteiktā apgabalā. salīdzinot ar parastā TPV saules bateriju.

Tas ļauj izmantot vienu desmito daļu vairāk saules bateriju materiāla, kas ievērojami samazina izmaksas. Alternatīvi, tas ļauj ģenerēt lielāku jaudu zemākā temperatūrā, kas Pēteris Peumans Stenfordas universitātes elektrotehnikas profesors saka, ka tā ir viena no galvenajām šīs pieejas priekšrocībām. Viņš saka, ka parastajiem termiskajiem fotoelementiem var būt nepieciešama 1500 °C temperatūra. Pirmie prototipi no MTPV darbojas labi temperatūrā, kas ir mazāka par 1000 ° C, un DiMatteo saka, ka teorētiski šī tehnoloģija varētu ekonomiski ražot elektroenerģiju pat 100 ° C temperatūrā. Šis lielais temperatūras diapazons varētu padarīt tehnoloģiju pievilcīgu, lai ražotu elektroenerģiju no dažādiem avotiem, tostarp automašīnu izplūdes gāzēm, no siltuma, kas pretējā gadījumā tiktu izšķiests.

Taču Peumans saka, ka tehnoloģijai ir kompromiss: tā kā apsildāmais materiāls un saules baterija ir novietoti tik tuvu viens otram, starp tiem nav iespējams ievietot filtru, kas palīdzētu noregulēt gaismas viļņu garumus, kas sasniedz saules bateriju. Tas varētu ierobežot sistēmas maksimālo efektivitāti.



DiMatteo pirmo reizi publicēja darbu pie MTPV koncepcijas deviņdesmito gadu beigās, taču līdz šim ir bijis nepieciešams izstrādāt prototipus, kas ir pietiekami lieli, lai tie būtu praktiski. Viens no galvenajiem izaicinājumiem ir bijis atrast veidus, kā izveidot atstarpi, kuras diametrs ir tikai viena desmitā daļa no mikrometra un tomēr to var saglabāt salīdzinoši lielajās vietās, kas nepieciešamas praktiskai ierīcei. DiMatteo saka, ka uzņēmums uzlabos ierīču veiktspēju, pastāvīgi samazinot atstarpi, kas, pēc datoru modeļiem, uzlabos efektivitāti.

paslēpties