Phone

Nový tepelný motor bez pohyblivých častí by mohol úplne dekarbonizovať elektrickú sieť

Thermophotovoltaic Cell
Written by pocox3

Termofotovoltaický článok

Termofotovoltaický (TPV) článok (veľkosť 1 cm x 1 cm) namontovaný na chladiči určený na meranie účinnosti TPV článku. Na meranie účinnosti je článok vystavený žiariču a súčasne sa vykonávajú merania elektrického výkonu a toku tepla cez zariadenie. Poďakovanie: Felice Frankel

Nový tepelný motor bez pohyblivých častí je rovnako účinný ako parná turbína

Dizajn by jedného dňa mohol umožniť úplne bezuhlíkovú elektrickú sieť, hovoria výskumníci.

Inžinieri v S a Národné laboratórium pre obnoviteľnú energiu (NREL) navrhli tepelný motor bez pohyblivých častí. Ich nové demonštrácie ukazujú, že premieňa teplo na elektrickú energiu s účinnosťou vyššou ako 40 %, čo je výkon prevyšujúci výkon tradičných parných turbín.

Tepelný motor je termofotovoltaický článok (TPV), podobný fotovoltaickým článkom solárneho panelu, ktorý pasívne zachytáva vysokoenergetické fotóny zo zdroja tepla rozpáleného dobiela a premieňa ich na elektrickú energiu. Dizajn tímu dokáže vyrábať elektrinu zo zdroja tepla medzi 1 900 a 2 400 stupňami Celziaalebo až do asi 4 300 stupňov Fahrenheita.

Výskumníci plánujú začleniť TPV článok do mriežkovej tepelnej batérie. Systém by absorboval prebytočnú energiu z obnoviteľných zdrojov, ako je slnko, a uložil by túto energiu do silne izolovaných horúcich grafitových bánk. Keď je potrebné napájanie, napríklad počas zamračeného dňa, TPV články premieňajú teplo na elektrinu a posielajú energiu do elektrickej siete.

S novou bunkou TPV sa tímu teraz podarilo demonštrovať hlavné časti systému v samostatných malých experimentoch. Pracujú na integrácii častí, aby demonštrovali plne funkčný systém. Odtiaľ dúfajú, že rozšíria systém, aby nahradili elektrárne na fosílne palivá a umožnili úplne bezuhlíkovú elektrickú sieť poháňanú výlučne obnoviteľnými zdrojmi.

„Termofotovoltaické články boli posledným kľúčovým krokom pri demonštrácii, že tepelné batérie sú životaschopným konceptom,“ hovorí Asegun Henry, Robert N. Noyce, profesor kariérneho rozvoja na oddelení strojárstva MIT. “Toto je absolútne kritický krok na ceste k šíreniu obnoviteľných zdrojov a dosiahnutiu úplne bezuhlíkovej siete.”

Henry a jeho spolupracovníci zverejnili svoje výsledky 13. apríla 2022 v časopise Príroda. Medzi spoluautorov MIT patria Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf a Evelyn Wang, profesor inžinierstva Ford a vedúci oddelenia strojného inžinierstva, ako aj Kevin Schulte a spolupracovníci z NREL v Golden, Colorado.

Preskočiť medzeru

Viac ako 90 % svetovej elektriny pochádza zo zdrojov tepla, ako je uhlie, zemný plyn, jadrová energia a koncentrovaná solárna energia. Už storočie sú parné turbíny priemyselným štandardom na premenu týchto zdrojov tepla na elektrickú energiu.

V priemere parné turbíny spoľahlivo premieňajú približne 35 % zdroja tepla na elektrickú energiu, pričom približne 60 % predstavuje doteraz najvyššiu účinnosť zo všetkých tepelných motorov. Stroje však závisia od pohyblivých častí, ktoré sú teplotne obmedzené. Zdroje tepla nad 2000 stupňov Celzia, ako napríklad Henryho navrhovaný tepelný batériový systém, by boli pre turbíny príliš horúce.

V posledných rokoch vedci hľadali alternatívy v pevnej fáze – tepelné motory bez pohyblivých častí, ktoré by potenciálne mohli efektívne fungovať pri vyšších teplotách.

„Jednou z výhod polovodičových meničov energie je, že môžu pracovať pri vyšších teplotách s nižšími nákladmi na údržbu, pretože nemajú žiadne pohyblivé časti,“ hovorí Henry. “Len tam sedia a spoľahlivo vyrábajú elektrinu.”

Termofotovoltaické články ponúkali prieskumnú cestu k tepelným motorom v pevnej fáze. Podobne ako solárne články, aj TPV články môžu byť vyrobené z polovodičových materiálov s určitým pásmovým rozdielom – medzerou medzi valenčným pásmom materiálu a jeho vodivým pásmom. Ak je fotón s dostatočne vysokou energiou absorbovaný materiálom, môže poslať elektrón cez zakázaný pás, kde potom môže elektrón viesť, a teda generovať elektrinu, bez pohybu rotorov alebo lopatiek.

K dnešnému dňu väčšina TPV článkov dosiahla účinnosť len okolo 20%, s rekordnou úrovňou 32%, pretože sú vyrobené z materiálov s relatívne nízkou šírkou pásma, ktoré premieňajú fotóny pri nízkych teplotách a nízkej energii, a preto konvertujú energiu menej efektívne. .

Zachyťte svetlo

Vo svojom novom dizajne TPV sa Henry a jeho kolegovia snažili zachytiť fotóny s vyššou energiou zo zdroja tepla s vyššou teplotou, čím účinnejšie premieňali energiu. Nová bunka tímu to robí s materiálmi s vyššou šírkou pásma a viacerými spojmi alebo vrstvami materiálov v porovnaní s existujúcimi návrhmi TPV.

Bunka je vyrobená z troch hlavných oblastí: oblasť s vysokou bandgap zliatina, ktorá sa spolieha na o niečo nižšiu bandgap zliatinu, pod ktorou je zrkadlová vrstva zlata. Prvá vrstva zachytáva fotóny s vyššou energiou zo zdroja tepla a premieňa ich na elektrickú energiu, zatiaľ čo fotóny s nižšou energiou prechádzajúce prvou vrstvou sú zachytené druhou vrstvou a premieňané na generované napätie. Všetky fotóny, ktoré prejdú cez túto druhú vrstvu, sa potom odrazia späť od zrkadla, späť k zdroju tepla, namiesto toho, aby boli absorbované ako odpadové teplo.

Tím testoval účinnosť článku umiestnením na snímač tepelného toku – zariadenie, ktoré priamo meria teplo absorbované článkom. Vystavili bunku vysokoteplotnej lampe a sústredili svetlo na bunku. Potom menili intenzitu alebo teplotu žiarovky a pozorovali, ako sa energetická účinnosť článku – množstvo energie, ktorú vyprodukoval, v porovnaní s teplom, ktoré absorboval – mení s teplotou. V rozsahu 1 900 až 2 400 stupňov Celzia si nový TPV článok udržal účinnosť okolo 40 %.

„Dokážeme dosiahnuť vysokú účinnosť v širokom rozsahu teplôt relevantných pre tepelné batérie,“ hovorí Henry.

Bunka v experimentoch má asi jeden štvorcový centimeter. Pre tepelný batériový systém v mriežkovej mierke Henry predpokladá, že TPV články by sa museli rozšíriť na približne 10 000 štvorcových stôp (asi štvrtina futbalového ihriska) a fungovať v klimaticky kontrolovaných skladoch, aby mohli spaľovať energiu z obrovských zásobníkov. solárna energia. Poukazuje na to, že existuje infraštruktúra na výrobu fotovoltaických článkov vo veľkom meradle, ktorá by sa mohla prispôsobiť aj výrobe TPV.

Odkaz: “40% termofotovoltaická účinnosť” od Aliny LaPotin, Kevina L. Schultea, Mylesa A. Steinera, Kylea Buznitského, Colina C. Kelsalla, Daniela J. Friedmana, Erica J. Terva, Ryana M. Franceho, Michelle R. Younga, Andrew Rohskopf, Shomik Verma, Evelyn N. Wang a Asegun Henry, 13. apríla 2022, Príroda.
DOI: 10.1038/s41586-022-04473-y

Tento výskum bol čiastočne financovaný Ministerstvom energetiky USA.

About the author

pocox3

poco lofya max founder of swahli afya and creater content I am from kenya in the north to the southern border of Tanzania in the south. kiSwahili or Kiswahili

Leave a Comment