Новый тепловой двигатель без движущихся частей так же эффективен, как паровая турбина
Исследователи говорят, что эта конструкция может когда-нибудь позволить полностью обезуглероживать энергосистему.
Термофотоэлектрическая ячейка (TPV) (размер 1 см x 1 см), установленная на теплоотводе, предназначена для измерения эффективности ячейки TPV.
Для измерения эффективности ячейку подвергают воздействию излучателя и проводят одновременные измерения электрической мощности и теплового потока через устройство.
Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловой двигатель без движущихся частей. Их новые демонстрации показывают, что он преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов — производительность лучше, чем у традиционных паровых турбин.
Тепловой двигатель представляет собой термофотоэлектрический элемент (ТПВ), подобный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает высокоэнергетические фотоны от раскаленного добела источника тепла и преобразует их в электричество. Конструкция команды может генерировать электроэнергию из источника тепла от 1900 до 2400 градусов Цельсия или примерно до 4300 градусов по Фаренгейту.
Исследователи планируют включить ячейку TPV в сетчатую тепловую батарею. Система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить эту энергию в сильно изолированных банках горячего графита. Когда энергия необходима, например, в пасмурные дни, ячейки TPV преобразуют тепло в электричество и отправляют энергию в энергосистему.
С помощью новой ячейки TPV команда успешно продемонстрировала основные части системы в отдельных небольших экспериментах. Они работают над интеграцией деталей, чтобы продемонстрировать полностью работоспособную систему. Оттуда они надеются расширить систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью декарбонизированную энергосистему, полностью снабжаемую возобновляемыми источниками энергии.
“Термофотоэлектрические элементы были последним ключевым шагом к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией”, - говорит Асегун Генри, профессор развития карьеры Роберта Нойса на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. “Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемых источников энергии и переходу к полностью декарбонизированной сети”.
Генри и его сотрудники опубликовали свои результаты сегодня в журнале Nature. Соавторами в MIT являются Алина Лапотин, Кайл Бузницкий, Колин Келсолл, Эндрю Роскопф и Эвелин Ванг, профессор инженерии Ford и заведующая кафедрой машиностроения, а также Кевин Шульте и сотрудники NREL в Голдене, штат Колорадо.
Прыжки в пропасть
Более 90 процентов мировой электроэнергии поступает из источников тепла, таких как уголь, природный газ, ядерная энергия и концентрированная солнечная энергия. В течение столетия паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования таких источников тепла в электричество.
В среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35 процентов источника тепла в электричество, причем около 60 процентов представляют собой самый высокий КПД любого теплового двигателя на сегодняшний день. Но оборудование зависит от движущихся частей, которые ограничены температурой. Источники тепла выше 2000 градусов Цельсия, такие как предложенная Генри система тепловых батарей, были бы слишком горячими для турбин.
В последние годы ученые изучали твердотельные альтернативы - тепловые двигатели без движущихся частей, которые потенциально могут эффективно работать при более высоких температурах.
“Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, потому что у них нет движущихся частей”, - говорит Генри. “Они просто сидят там и надежно генерируют электричество”.
Термофотоэлектрические элементы предложили один исследовательский маршрут к твердотельным тепловым двигателям. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной запрещенной зоной — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может пнуть электрон через запрещенную зону, где электрон может затем проводить и тем самым генерировать электричество — делая это без движущихся роторов или лопастей.
На сегодняшний день большинство ТПВ-ячеек достигли КПД только около 20 процентов, а рекорд - 32 процента, поскольку они были сделаны из материалов с относительно низкой запрещенной зоной, которые преобразуют низкотемпературные низкоэнергетические фотоны и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.
Ловить свет
В своей новой конструкции TPV Генри и его коллеги стремились захватить фотоны с более высокой энергией от источника тепла с более высокой температурой, тем самым более эффективно преобразуя энергию. Новая ячейка команды делает это с материалами с более высокой запрещенной зоной и несколькими соединениями или слоями материала по сравнению с существующими конструкциями TPV.
Ячейка изготовлена из трех основных областей: сплава с высокой запрещенной зоной, который находится поверх сплава с чуть более низкой запрещенной зоной, под которым находится зеркальный слой золота. Первый слой захватывает фотоны с самой высокой энергией источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией, проходящие через первый слой, захватываются вторым и преобразуются для добавления к генерируемому напряжению. Любые фотоны, которые проходят через этот второй слой, затем отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, а не поглощаются как потраченное впустую тепло.
Команда проверила эффективность ячейки, поместив ее поверх датчика теплового потока — устройства, которое непосредственно измеряет тепло, поглощаемое ячейкой. Они подвергли клетку воздействию высокотемпературной лампы и сконцентрировали свет на ней. Затем они изменили интенсивность лампы, или температуру, и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов Цельсия новая ячейка TPV поддерживала эффективность около 40 процентов.
“Мы можем получить высокую эффективность в широком диапазоне температур, соответствующих тепловым батареям”, - говорит Генри.
Ячейка в экспериментах составляет около квадратного сантиметра. Генри предполагает, что для системы тепловых батарей в сетевом масштабе ячейки TPV должны будут масштабироваться до 10 000 квадратных футов (около четверти футбольного поля) и будут работать на складах с климат-контролем, чтобы получать энергию от огромных банков накопленной солнечной энергии. Он указывает, что существует инфраструктура для производства крупномасштабных фотоэлектрических элементов, которые также могут быть адаптированы для производства TPV.
“Здесь определенно есть огромный положительный результат с точки зрения устойчивости”, - говорит Генри. “Технология безопасна, экологически безопасна в своем жизненном цикле и может оказать огромное влияние на снижение выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии”.
Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.
ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:
БУМАГА
Статья: “Термофотоэлектрический КПД 40%”
УПОМИНАНИЯ В ПРЕССЕ
Наука
Команда исследователей из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии успешно достигла 30%-ного скачка термофотоэлектрической эффективности (TPV), сообщает Robert F. Service for Science. “[TPV] - это полупроводниковая структура, которая преобразует фотоны, испускаемые источником тепла, в электричество, точно так же, как солнечный элемент преобразует солнечный свет в энергию”, - объясняет Сервис.
Полная история через Science →