Новітні термофотоелектричні перетворювачі - джерело дарової енергії

( 4 Голосів, Всередньому: 4,00 із 5 )
Субота, 31 січень 2009

thermophotoelectricАмериканська корпорація MTPV оголосила про укладення угоди з одним із скляних заводів: там незвичайні пристрої будуть генерувати дармову електроенергію від гарячого вихлопу заводських труб.

Вперше MTPV випробує в промисловості свої екзотичні генератори, робота над якими йде вже багато років. Але значення цього тесту виходить за рамки одержання струму з непридатного тепла. Ті ж системи можуть виявитися привабливими для виробітку електрики із сонячних променів. А як на теперішній час це вже "велика енергетика".

Розшифровується абревіатура MTPV як Micron-gap ThermoPhotoVoltaics, що означає термофотоелектричні перетворювачі з мікронним зазором. Навіщо тут зазор і куди його "втиснули" — скажемо трохи пізніше. А спочатку — декілька слів про ThermoPhotoVoltaics, тобто про термофотоелектричне вироблення електроенергії..

термофотоелектрична схема

Загальний принцип її простий. Є джерело тепла (газовий або бензиновий пальник, вихлоп заводу, електростанції, автомобіля або ті ж сонячні промені, сконцентровані дзеркалами), є розпечене тіло — випромінювач, світло від якого потрапляє на фотоелектричну панель. Вона й генерує струм.

Зі спалюванням палива й з даровим теплом все ясно. Але навіщо вводити таке проміжне перетворення для сонячних променів, коли можна просто підставити під них фотоелемент? Виявляється, за певних умов такий виробітку електричної енергії з "зайвими" ступенями (світло - нагрівання - світло - сонячна батарея - струм) може виявитися більш вигідним.

Адже сонячна батарея ефективно перетворить тільки світло певної частоти (або ряду частот, як у деяких сучасних моделях), але левова частина енергії всього спектру - губиться.

А от параметри нагрітого випромінювача можна підібрати так, щоб він видавав більшу частину потужності на частотах, найбільш зручних для батареї. (В одній з таких робіт для настроювання випромінювача й додаткової фільтрації світла застосовували фотонні кристали.)

Тому теоретичний ККД термофотоелектричного перетворювача становить 85%. А на практиці, стверджує MTPV, можна було б одержати 50%.

термофотоелектричний перетворювач

Це звичайний термофотоелектричний перетворювач, для порівняння. Як видно, тут між випромінювачем і фотоелементом значна відстань. Фотоелементи так, звичайно, не перегріваються, проте і ККД незначний (фото з сайту boilerinfo.org)

Тільки потрібно вирішити ряд проблем. Перша - зробити так, щоб якнайбільше фотонів від нагрітого випромінювача потрапляло б на сонячну батарею й поглиналося нею.

Друга проблема — надмірне нагрівання самої сонячної батареї. Для нормальної роботи вона повинна залишатися холодною (більш-менш), а для збільшення ефективності всієї установки потрібно підняти температуру випромінювача. Тобто, і роз’єднати ці деталі не можна (багато світла пропаде), і об’єднати разом — теж.

Технологія MTPV саме і є відповіддю на обидва питання. За словами Роберта Діматео (Robert DiMatteo), засновника й виконавчого директора MTPV, одного з головних розробників системи, той самий мікрометровий зазор (між випромінювачем і батареєю, ви вже догадалися) дозволяє збільшити потік "корисних" фотонів у 10 разів.

Це означає або збільшення потужності, або скорочення площі фотоперетворювача (отже — зниження ціни), або зниження температури випромінювача без втрати потужності.

Цікаво, що працює зазор не так просто, як здається на перший погляд. Автори технології приводять аналогію з парою скляних призм. Поки між ними залишається помітна щілина, що ввійшли в першу призму промені в другу не переходять, а покірно діють за законом повного внутрішнього відбиття.

Але якщо почати зводити призми разом, у якийсь момент ситуація змінюється стрибкоподібно - промені раптом починають ігнорувати внутрішнє відбиття й перескакують у другу призму. І важливо, що відбувається це ще до фактичного зіткнення скляшок, але при зазорі, меншому, ніж довжина хвилі використовуваного світла.

Так і з тепловим випромінювачем. Більша частина породжених ним фотонів залишаються всередині тіла, зазнаючи внутрішнього відбиття від границі між ним і вакуумом (зрозуміло, що між випромінювачем і сонячною батареєю повинен бути вакуум, інакше остання моментально перегріється).

MTPV-diagram

Принцип роботи субмікронного зазору. Ліворуч: аналогія із призмами. Праворуч: взаємне розташування випромінювача й фотоелемента, а також графік переданої енергії залежно від величини зазору (ілюстрація Robert DiMatteo/MTPV).

А от якщо підвести фотоелемент до випромінювача ближче - відбувається тунелювання фотонів і розпечене тіло починає дуже активно "накачувати" сонячну батарейку. (Тут також відбувається передача енергії між електронами, що знаходяться всередині кожного із цих двох тіл).

Незважаючи на назву технології ( Micron-gap...), фактично в дослідних пристроях автори створювали субмікронний зазор між випромінюючою поверхнею й фотоелементом, а саме 0, 12-0,2 мікрометр.

Результат – система працює більш ефективно й при більше низьких температурах. Так, якщо зазвичай термофотоелектричні конвертори вимагають розігріву випромінювача до 1500 °C, то MTPV проводила успішні тести при 300-900 градусів Цельсія. І, за словами Роберта, технологію можна ще покращити, що дозволить генерувати енергію при теплі на вході всього в 100 °C.

Справа в тому, що MTPV придумала, як розділити випромінювач і батарею ще меншим зазором, зберігши при цьому теплоізоляцію. Не забуваємо - теорія теорією, а нам потрібний реальний пристрій, у якому сонячна панель просто так над нагрітим тілом парити не може.

MTPV створила трубчасті тримачі (роздільники) хитрої форми. Армія таких елементів мікроскопічних розмірів - це і є опорні колони для фотоелементу.

MTPV-тримач

Кадр із електронного мікроскопу показує один із експериментальних тримачів (або роздільників), на який повинна спиратися сонячна батарея, що приєднується до нагрітого випромінювача (фото Robert DiMatteo/MTPV).

Потік енергії, що йде по таких колонах за рахунок теплопровідності, - мізерно малий у порівнянні з енергією, що випускається нагрітим тілом у вигляді фотонів. І батарея занадто не нагрівається, і зазор залишається настільки малим, як необхідно.

Потенційно такі перетворювачі здатні перевершити в ефективності найкращі термоелектрогенератори — тобто напівпровідникові пристрої, що прямо перетворюють тепло в електричний струм.

Апарати MTPV можуть замінити й сонячні батареї. Згадаємо, як б'ються вчені й інженери, щоб "навчити" їх з користю для справи поглинати світло на різних частотах. Тут ж ми використовуємо сонячне світло як нагрівач, а далі отримуємо струм від спеціальної пари випромінювач-фотоелемент.

Є й інші екзотичні способи конверсії сонячного світла в електроенергію, наприклад плівка з наноантенами (розрахунковий ККД 30-40%) і замкнений паливний елемент із воднем (60%, також у теорії).

Що із цього зрештою "вистрілить"? Сказати складно — ці чудеса все ніяк не вийдуть зі стін лабораторій, як і експериментальні сонячні батареї з надзвичайно високим ККД (42,8 і 40,8).

Так що на практиці найефективнішим способом перетворення променів Сонця в промисловий струм поки залишається комбінація дзеркало-двигун Стірлінга. Світове досягнення ККД тут становить 31,25%.

На жаль, в останній системі є деталі, що рухаються, а значить - можливі поломки, та й механічне зношування потрібно враховувати. В MTPV ж ламатися нема чому. І нехай поки ККД таких дослідних пристроїв становить всього 15%, потенціал їх великий.

Цікаво, що Діматео опублікував першу свою наукову працю з концепцією MTPV наприкінці 1990-х років. Ось скільки часу пішло на створення та випробування безлічі експериментальних зразків. Проте тепер склярі одержать даровий струм від надзвичайних машин, а Роберт — можливість виявити сильні й слабкі сторони своєї розробки "в бою".

 

 

За матеріалами: membrana.ru