Энергия тепла: новый рекорд КПД термофотоэлектрического преобразования

Проблема классических энергоносителей (уголь, газ, нефть), а точнее их конечного количества, уже не является сенсационной новостью. Многие годы ученые со всех уголков Земли ищут альтернативные источники энергии, разрабатывают методики и устройства для их использования и всячески стараются спасти наш вид от энергетического коллапса и экологической катастрофы. Столь популярная в наши дни зеленая энергия представляет собой источники этой самой энергии, запасы которых практически неистощаемы: солнце, ветер, волны, приливы/отливы и т. д. И если с поиском источника энергии, по сути, проблем нет (Солнце найти несложно), то вот вопрос максимально эффективного преобразования той или иной энергии в электрическую остается открытым. Ученые из Массачусетского технологического института (США) разработали новый тип двигателя без каких-либо движущихся частей, который преобразует энергию тепла в электричество. Из чего состоит новый двигатель, как именно он работает, и. самое главное, насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В основе разработке лежит термофотовольтное (ТПВ или TPV от thermophotovoltaic) преобразование энергии, которое преобразует тепло в электричество за счет фотонов. Подробнее о принципе работы данной системы можно узнать тут. TPV позволяет накапливать и преобразовывать энергию от источников тепла с более высокой температурой, чем турбины, которые сегодня повсеместно используются в производстве электроэнергии.


Изображение №1

С момента первой демонстрации TPV с эффективностью в 29% (1a), где использовался встроенный отражатель на задней поверхности и вольфрамовый эмиттер при 2000 °C, характеристики последующих вариаций TPV становились лучше с каждым новым исследованием. Однако, несмотря на прогнозы о том, что эффективность TPV может превышать 50%, продемонстрированная эффективность по-прежнему составляет всего 32%, хотя и при гораздо более низких температурах (ниже 1300 °C).

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые демонстрируют новый тип TPV с эффективностью более 40%. TPV батареи представляют собой двухпереходные устройства, содержащие III-V материалы с шириной запрещенной зоны* от 1.0 до 1.4 эВ, оптимизированные для температур эмиттера (излучателя) в 1900–2400 °C.

Запрещенная зона* — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещенной зоны твердого тела определяет его как проводник, полупроводник или диэлектрик.

Столь высокий уровень эффективности стал возможен благодаря трем основным факторам:

• использование материалов с большей шириной запрещенной зоны в сочетании с температурой эмиттера от 1900 до 2400 °C;
• применение архитектуры с возможностью настройки ширины запрещенной зоны, обеспечиваемой метаморфической эпитаксией*;
• интеграция отражателя на задней поверхности (BSR от back surface reflector) с высокой отражающей способностью.

Эпитаксия* — закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом при более низких температурах, т. е. ориентированный рост одного  кристалла на поверхности другого.

Батареи представляют собой тандемные устройства на 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ, оптимизированные для диапазона температур эмиттера 1900-2400 °C (изображение №1) для применения в системах хранения тепловой энергии (TEGS от thermal energy grid storage). TEGS — это недорогая технология хранения энергии в масштабе сети, в которой используются TPV для преобразования тепла в электричество при температуре выше 2000 °C, что является режимом, недоступным для турбин. По сути, это батарея, которая потребляет электричество, преобразует его в высокотемпературное тепло, сохраняет тепло, а затем по запросу преобразует его обратно в электричество с помощью TPV.


Варианты применения TPV: a — концептуальная иллюстрация TEGS, которая потребляет электричество, преобразует его в тепло посредством джоулевого нагрева, сохраняет тепло в изолированных графитовых блоках, а затем использует TPV для преобразования тепла в электричество. Также показана элементарная ячейка силового блока; b — диаграмма Санки, показывающая потоки энергии в системе TEGS в масштабе и с различными показателями эффективности; c — взаимосвязь между эффективностью подсистемы TPV и размером силового блока или отношением объема к площади поверхности; d — концептуальная иллюстрация системы производства электроэнергии на основе сжигания с использованием TPV.

Изначально задумывалось, что TEGS будет работать с использованием расплавленного кремниевого носителя, но графитовый носитель не хуже, при этом второй вариант намного дешевле ($ 0.5 за кг). Такая низкая стоимость позволяет TEGS соответствовать реальному рынку энергоносителей и конкурировать по стоимость с ископаемыми видами топлива.

Результаты исследования

Стоит отметить, что эффективность TPV батареи определяется иначе, чем у солнечной, так как, в отличие от второго, система TPV может сохранять, а затем преобразовывать энергию в субзонные фотоны. Это связано с тем, что в контекстах, в которых предполагается использовать TPV, батарея TPV имеет высокий коэффициент обзора для излучателя. Это означает, что субзонные фотоны могут отражаться обратно к излучателю TPV батареей (1b). Отражая непреобразованные фотоны, энергия субзонного света сохраняется за счет повторного поглощения излучателем. Отраженный и затем повторно поглощенный свет помогает поддерживать излучатель в горячем состоянии, тем самым сводя к минимуму затраты энергии, необходимые для нагрева излучателя. В результате эффективность ячейки TPV определяется уравнением:



где P_out — электрическая мощность, генерируемая TPV батареей; V_oc — напряжение холостого хода, I_sc — ток короткого замыкания, а FF — коэффициент заполнения вольт-амперной кривой. Суммарное тепло, поглощаемое и выделяемое в батарее (Q_c) складывается из тепла, генерируемого за счет паразитного поглощения в полупроводнике или металлическом отражателе, термальных потерь из-за избыточной энергии падающих фотонов, джоулевых потерь на нагрев из-за протекания тока и нерадиационных рекомбинационных потерь. Суммарная энергия, полученная батареей, эквивалентна P_out + Q_c и может быть также выражена как P_inc — P_ref, где P_inc — падающая энергия, а P_ref — отраженная энергия.

Исходя из вышеописанного уравнения, для повышения эффективности TPV необходимо увеличить выходную мощность (P_out) и/или уменьшить количество поглощаемого и выделяемого в батарее тепла (Q_c).

Стоит также отметить, что высокие температуры эмиттера, предназначенные для TEGS и других приложений, позволяют использовать батареи с большей шириной запрещенной зоны (не менее 1.0 эВ) вместо батарей с малой шириной запрещенной зоны на основе InGaAs или GaSb, традиционно используемых для TPV. Этот фактор является ключевым, так как спектр света смещается в сторону более длинных волн по мере снижения температуры излучателя, поэтому традиционные элементы TPV, которые соединены с излучателями менее 1300 °C, обычно основаны на 0.74 эВ InGaAs или 0.73 эВ GaSb.


Схема тандемов 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ.

Что касается отражателя, то BSR с высокой отражательной способностью имеет решающее значение для минимизации Q_c. BSR с высокой отражающей способностью обеспечивают дополнительное преимущество повышения напряжения холостого хода, поскольку они также улучшают рециркуляцию люминесцентных фотонов, генерируемых излучательной рекомбинацией. Учитывая это, созданные батареи представляли собой двухпереходные конструкции на 1.2/1.0 эВ и 1.4/1.2 эВ, предназначенные для применения в TEGS с температурой эмиттера от 1900 до 2400 °C. Батареи с несколькими переходами повышают эффективность по сравнению с одиночными переходами за счет снижения потерь термализации* горячих носителей и снижения резистивных потерь за счет работы при более низкой плотности тока.

Термализация* — процесс достижения физическими телами теплового равновесия посредством взаимодействия.

В первом варианте конструкции тандема использовались верхние и нижние контакты AlGaInAs 1.2 эВ и GaInAs 1.0 эВ со смещенными решетками, что связано с кристаллографической постоянной решетки подложки GaAs, на которой они выращены.

Во втором варианте конструкции тандема использовалась верхняя ячейка GaAs на 1.4 эВ с постоянной решеткой и нижняя ячейка GaInAs на 1.2 эВ со смещенной решеткой. Такая комбинация использует преимущество изначально более высоких показателей эпитаксии с согласованной решеткой в ​​ячейке GaAs (1c и 1d).

Тандем 1.2/1.0 эВ с меньшей шириной запрещенной зоны предлагает потенциал для более высокой плотности мощности, чем тандем 1.4/1.2 эВ, поскольку он преобразует более широкую полосу падающего спектра, и, следовательно, требования к BSR менее строгие для получения высокой эффективности. С другой стороны, хоть тандем 1.4/1.2 эВ и имеет меньшую выходную мощность, уменьшенная плотность тока обеспечивает более высокую эффективность, чем тандем 1.2/1.0 эВ, если возникают резистивные потери.


Изображение №2

На графике 2a показаны результаты измерения коэффициента отражения, а на 2b показана внутренняя квантовая эффективность протестированных тандемов 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ. Отражательная способность в случае абсолютно черного тела при 2150 °C составила 93.0% для тандема 1.4/1.2 эВ и 93.1% для тандема 1.2/1.0 эВ.

На 2c и 2d показаны результаты измерений плотности тока в зависимости от напряжения, которые проводились под вольфрамовым галогенным эмиттером с температурным диапазоном от 1900 до 2400 °C. Как и предполагали ученые, тандем 1.2/1.0 эВ имел более низкое напряжение, но более высокую плотность тока, чем тандем 1.4/1.2 эВ.


Изображение №3

На графике 3a показано измерение эффективности (КПД) в том же диапазоне температур эмиттера, которое было выполнено при одновременном измерении Q_c и P_out.

Результаты для тандема 1.4/1.2 эВ показали увеличение эффективности с увеличением температуры эмиттера. Эффективность превысила 40% при 2350 °C, что находится в пределах целевого диапазона 1900–2400 °C, необходимого для применения в TEGS. При 2400 °C эффективность достигала 41.1 ± 1%. В среднем по температурному диапазону (от 1900 до 2400 °C) КПД составляло 36.2%. Плотность электрической мощности составила 2.39 Вт/см² при максимальной температуре эмиттера 2400 °С.

Результаты для тандема 1.2/1.0 эВ показали большую эффективность, чем для тандема 1.4/1.2 эВ, при более низких температурах эмиттера из-за меньшей ширины запрещенной зоны. КПД тандема 1.2/1.0 эВ достигало максимума в 39.3 ± 1% при 2127 °C. Среднее значение КПД в диапазоне температур 1900...2300 °C составило 38.2 %. Важно отметить, что этот показатель практически не менялся даже при колебаниях температуры в пределах 400 градусов. Эта особенность крайне важна для TEGS, так как указывает на возможность достижения неизменно высокой эффективности, даже если температура эмиттера будет меняться в процессе разрядки системы TEGS.

Плотность электрической мощности составила 2.42 Вт/см² при максимальной измеренной температуре эмиттера 2279 °С и 1.81 Вт/см² в точке максимального КПД при температуре эмиттера 2127 °С.

КПД тандема 1.2/1.0 эВ менее чувствителен к изменению температуры эмиттера, имеет более высокую удельную электрическую мощность при заданной температуре. Однако тандем 1.4/1.2 эВ может достигать более высокой эффективности при самых высоких температурах эмиттера.

На 3a также прогнозы моделирования эффективности при различных условиях. Было получено хорошее соответствие моделируемых и экспериментальных данных, что указывает на возможность расширения модели для экстраполяции того, как производительность изменится при дополнительных улучшениях или при других условиях эксплуатации. К примеру, одним из важнейших свойств TPV, которое можно было бы улучшить, является отражательная способность (R_sub). На 3b показано как менялась бы эффективность, если бы R_sub было увеличено. Если R_sub равно 97%, то при температуре эмиттера тандем 1.4/1.2 эВ мог бы выдать КПД выше 50%.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Термофотоэлектрические (TPV) элементы, использованные учеными в рассмотренной нами сегодня разработке, ранее выдавали эффективность на уровне примерно 20 % с рекордным значением в 32 %. Однако ученым удалось увеличить этот показатель до 40 %.

Достигнуто это было за счет применения необычной слоистой структуры: сплав с высокой шириной запрещенной зоны, затем сплав с меньшей шириной запрещенной зоны и зеркальный слой золота под ним. Первый слой улавливает фотоны с самой высокой энергией, исходящие от источника тепла (эмиттера), а фотоны с меньшей энергией проходят сквозь него и захватываются вторым слоем. Фотоны, которые проходят и через второй слой, отражаются обратно к источнику тепла, тем самым обеспечивается минимизация потерь.

Подобное устройство лишено каких-либо движущихся частей, зато обеспечивает высокую степень преобразования тепловой энергии в электрическую. По мнению ученых, их творение имеет шанс стать еще более эффективным, если получится увеличить один из самых важных параметров, а именно отражательную способность.

Такого рода разработки, как отмечают авторы, являются не только производительными и эффективными с точки зрения добычи энергии, но и полностью экологически чистыми на протяжении всего рабочего цикла. Если переориентировать современную добычу электроэнергии на такие установки, то выбросы углекислого газа можно сократить на 40%.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?