Термофотоэлектрический тепловой двигатель

Термофотоэлектрический тепловой двигатель

Научный прогресс обещает миру новый твердотельный термофотоэлектрический тепловой двигатель. Система такого рода, как отмечается, способна получать максимум энергии из тепла, по сравнению с традиционной паровой турбиной. К тому же обещана малая стоимость самого оборудования, не имеющего движущихся частей. Налицо существенные перспективы для электростанций будущего, а также для систем хранения энергии на уровне сети.

Технология преобразования тепла в энергию

Большая часть электроэнергии современного мира производится за счёт теплового воздействия:

  • сжигание угля и природного газа,
  • ядерного деления,
  • концентрации солнечной энергии.

Получаемое такими способами тепло используется для нагрева воды до состояния парообразования с последующим вращением паровых турбин. Этот метод производства электроэнергии существует давно – с момента, когда люди научились применять паровую турбину в сочетании с динамо-машиной.

Во всяком случае, последние полтора века такая технология применяется активно в рамках целого мира. Этот способ получил характеристику зрелого и хорошо оптимизированного способа, показывающего, как явные преимущества, так и некоторые ограничения.

Среди существующих ограничений следует отметить эффективность преобразования. Если отдельными конструкциями турбин преобразуется до 60% энергии источника тепла в электричество, в среднем все существующие турбины показывают КПД не выше 35%. Еще одним ограничением является рабочая температура, когда движущиеся части турбин попросту неспособны работать при температурах выше 2000°C.

И вот теперь, как сообщается, появилась альтернатива: термофотоэлектрический тепловой двигатель, функционирующий без движущихся частей. Основой такой системы выступает термофотоэлектрическое устройство небольших габаритных размеров. Так, прототип, размерами 1*1 см показал эффективность более 40% в диапазоне температур 1900-2400°C.

Сбор энергии – значительное продвижение вперёд

Учёные отмечают — термофотоэлектрический тепловой двигатель это значительный шаг вперёд по сравнению с типичными тепловыми двигателями, большинство из которых дают КПД не выше 20% процентов. Новая технология предлагает более эффективный (при правильных обстоятельствах) способ сбора энергии, чем дают традиционные турбины.

Специалистам удалось достичь впечатляющего повышения эффективности, изменив несколько переменных. Прежде всего, изменили температуру подводимого тепла. Новое устройство разработано специально для работы при высоких температурах, перекрывающих диапазон, где турбины работать уже не в состоянии.

Расширение температурного диапазона позволяет использовать материалы поглотителя/излучателя с большей шириной запрещённой зоны. Соответственно, материалы поглощают больше энергии с последующим испусканием инфракрасных фотонов с более высокой энергией на стороне излучателя. Фотоэлектрические элементы, предназначены для максимального использования фотонов с высокой энергией.

Термофотоэлектрические тепловые двигатели – принцип работы

Термофотоэлектрические тепловые двигатели действуют по следующему принципу:

  1. Поступающее тепло поглощается материалом поглотителя/излучателя с последующим выводом фотонов.
  2. Выводимые фотоны собираются обычным фотогальваническим элементом.
  3. Выполняется преобразование фотонов в полезную электроэнергию.

Фотоэлектрические элементы размещаются послойно — первый слой предназначен для сбора фотонов с самой высокой энергией при более высоких напряжениях, эффективных для передачи. Второй слой предназначен для поглощения фотонов с более низкой энергией.

Термофотоэлектрический тепловой двигатель - конструкция преобразователя
Конструкция устройства упрощённой схемой: 1 — апертура; 2 — радиатор; 3 — изоляционный материал; 4 — датчик теплового потока; 5 — выход преобразованной энергии; Qc — тепловой поток

Фотоны, проходящие оба слоя, отражаются зеркалом на поглотитель/излучатель. Таким образом, любым фотонам за пределами оптимального диапазона допустим возврат в начало процесса с целью поддержки температуры излучателя на высоком уровне.

Как отмечено научной публикацией журнала «Nature», достижение 40% эффективности посредством технологии «TPV» примечательно в том плане, что теперь представлена технология теплового двигателя. Таковая способна конкурировать с турбинами. Очевидный момент – 40% КПД выше среднего показателя КПД теплового двигателя на основе турбины.

Вместе с тем, технология TPV видится более привлекательной, чем турбина, учитывая факторы:

  • более низкую стоимость конструкции,
  • более быстрое время отклика,
  • меньший объём обслуживания,
  • простота интеграции с внешними системами,
  • разные источники тепла и гибкое использование топлива.

Предлагаемая новая технология теплового двигателя работает в диапазоне температур, приемлемом для сжигания природного газа или водорода. Этот момент открывает перспективы для электростанций следующего поколения с низким уровнем выбросов. Новые системы обещают получать больше энергии от источника сгорания при относительно дешевом процессе. Применительно к «зелёной» энергетике, такая установка выглядит свободной от выбросов углекислого газа.

Проекты хранения тепловой энергии

Наряду с изложенными видениями, специалистами отмечается — при таком уровне термофотоэлектрический тепловой двигатель способен мгновенно сделать проекты хранения тепловой энергии экономически жизнеспособными. Новый способ хранения и высвобождения возобновляемой энергии в масштабе сети становится реальностью.

Термофотоэлектрический тепловой двигатель - блок схема хранилища энергии
Блок схема хранилища энергии: 1 — аккумулирование тепла в графитовых теплоаккумуляторах; 2 — преобразование тепла в электричество; 3 — электрический подогрев; А — излишки электричества от энергооборудования; B — вывод электрической энергии на массив TPV (ThermoPhotoVoltaic)

Так, разработанный проект предполагает использование избыточного электричества для нагрева плотно изолированных блоков горячего графита, действующих как носитель энергии. Когда энергия становится востребованной, блоками термофотоэлектрических тепловых двигателей осуществляется преобразование обратно в электричество.

Уже подсчитано — тепловая батарея даст рабочий КПД в оба конца преобразования на уровне 40% — 55%. Этот показатель выглядит несколько расточительно, по сравнению с литиевыми батареями, эффективность которых приближается к 70%. Однако капитальные затраты на единицу энергии прогнозируются всего в одну десятую от стоимости литиевых батарей. То есть выгода проявляется в любом случае, когда термофотоэлектрический тепловой двигатель работает с эффективностью более 35%.

Заключение на новый тепловой двигатель

Итак, новая технология видится важным шагом на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной энергосистеме. Технология безопасна экологически в жизненном цикле и способна оказать огромное влияние на сокращение выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии.

Однако термофотоэлектрический тепловой двигатель находится на очень ранней стадии развития. Следовательно, имеет многочисленные перспективы, как для повышения эффективности (например, за счет улучшения отражательной способности и снижения последовательного сопротивления), так и для снижения стоимости (например, за счёт повторного использования субстратов и более дешёвого сырья).


При помощи информации: MIT