Amerykańscy inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i National Renewable Energy Laboratory (NREL) zaprojektowali silnik cieplny bez części ruchomych. Twierdzą, że pewnego dnia projekt może umożliwić całkowite zdekarbonizowanie produkcji energii energetycznej. Ich demonstrator technologii przekształca ciepło w energię elektryczną z ponad 40-procentowąwydajnością. To lepszy wynik niż w przypadku tradycyjnych turbin parowych.
Silnik cieplny to ogniwo termofotowoltaiczne podobne do ogniw znajdujących się w module fotowoltaicznym. Termofotowoltaika (TPV) przekształca głównie światło podczerwone w energię elektryczną dzięki efektowi fotowoltaicznemu. Polega na pasywnym wychwytywaniu wysokoenergetycznych fotonów z rozgrzanego do białości źródła ciepła i przekształcaniu ich w energię elektryczną. Projekt zespołu może generować energię elektryczną ze źródła ciepła o temperaturze od 1900 do 2400 °C, czyli do około 4300 °F.
Ogniwa termofotowoltaiczne wyznaczają drogę badawczą w kierunku półprzewodnikowych silników cieplnych. Podobnie jak ogniwa słoneczne, ogniwa TPV mogą być wykonane z materiałów półprzewodnikowych o określonej przerwie energetycznej – przerwie między pasmem walencyjnym materiału a jego pasmem przewodnictwa. Jeśli foton o wystarczająco wysokiej energii zostanie pochłonięty przez materiał, może przerzucić elektron przez przerwę wzbronioną, a tym samym generować elektryczność, robiąc to bez poruszania wirników lub łopatek turbin.
Ogniwo zbudowane jest z trzech warstw: warstwy ze stopu o wysokiej przerwie wzbronionej, warstwy o nieco niższej przerwie wzbronionej oraz działającej podobnie do lustra warstwy złota. Pierwsza warstwa wychwytuje fotony o najwyższej energii ze źródła ciepła i przekształca je w energię elektryczną, podczas gdy fotony o niższej energii, które przechodzą przez pierwszą warstwę, są wychwytywane przez drugą i przekształcane w celu dodania do generowanego napięcia. Wszystkie fotony, które przechodzą przez tę drugą warstwę, są odbijane przez lustro z powrotem do źródła ciepła, a nie tracone jako ciepło.
Zespół przetestował wydajność ogniwa, umieszczając je nad czujnikiem strumienia ciepła – urządzeniem, które bezpośrednio mierzy ciepło pochłonięte przez ogniwo. Zespół naukowców wystawił termoogniwo na działanie skoncentrowanego światła lampy generującej wysoką temperaturzę. Następnie zmieniano temperaturę oraz intensywność źródła światła i obserwowano, jak wydajność energetyczna ogniwa – ilość wytwarzanej energii w porównaniu z pochłanianym przez nią ciepłem – zmieniała się wraz z temperaturą. W zakresie od 1900 do 2400 °C nowe ogniwo TPV utrzymywało wydajność około 40%.
Ogniwo demonstracyjne używane w eksperymentach ma około 1 cm2. W przypadku systemu akumulatorów termicznych w skali sieciowej, powierzchnia zajmowana przez ogniwa TPV musiałyby wzrosnąć do około 10 000 sq ft (około jednej czwartej boiska piłkarskiego). Ważne jest to, że istnieje infrastruktura do produkcji wielkoskalowych ogniw fotowoltaicznych, którą można by również przystosować do produkcji TPV.
Na podstawie pojedynczego ogniwa TPV zespół zademonstrował działanie systemu w oddzielnych eksperymentach na małą skalę. Obecnie trwają prace nad integracją pojedynczych elementów, aby zaprezentować w pełni działający demonstator technologii. Naukowcy mają nadzieję na zwiększenie skali systemu, aby zastąpić elektrownie oparte na paliwach kopalnych i umożliwić zbudowanie całościowej, zdekarbonizowanej sieci energetycznej, zasilanej wyłącznie energią odnawialną. – Ogniwa termofotowoltaiczne były ostatnim, kluczowym krokiem w kierunku wykazania, że baterie cieplne są realną koncepcją – twierdzi Asegun Henry, profesor rozwoju kariery Robert N. Noyce na Wydziale Inżynierii Mechanicznej MIT. – To absolutny kamień milowy na drodze do rozprzestrzeniania energii odnawialnej i dojścia do całkowitej dekarbonizacji.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
