Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловой двигатель без движущихся частей. Их демонстрации показывают, что двигатель преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 %, что лучше, чем у традиционных паровых турбин.

Тепловой двигатель представляет собой термофотоэлектрический (TPV) элемент, аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного источника тепла и преобразует их в электричество. Двигатель может генерировать электричество из источника тепла с температурой от 1900 до 2400 градусов по Цельсию или примерно до 4300 градусов по Фаренгейту.

Исследователи планируют включить элемент TPV в тепловую батарею сетевого масштаба. Система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить эту энергию в изолированных банках горячего графита. Когда необходима энергия, например, в пасмурные дни, элементы TPV будут преобразовывать тепло в электричество и передавать энергию в электросеть.

С новой ячейкой TPV команда успешно продемонстрировала основные части системы в экспериментах. Они работают над интеграцией частей, чтобы продемонстрировать полностью работающую систему. Затем они надеются масштабировать систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью обезуглероженную энергосистему, полностью снабжаемую возобновляемой энергией.

«Термофотоэлектрические элементы стали последним важным шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией, — говорит Асегун Генри, профессор Роберта Н. Нойса по развитию. «Это важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети».

Более 90 % электроэнергии в мире поступает из источников тепла, таких как уголь, природный газ, ядерная энергия и солнечная энергия. В течение столетия паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования таких источников тепла в электричество.

В среднем паровые турбины преобразуют около 35 процентов тепла в электричество, при этом около 60 процентов представляют собой самый высокий КПД любого теплового двигателя на сегодняшний день. Но механизм зависит от движущихся частей, температура которых ограничена. Источники тепла с температурой выше 2000 градусов по Цельсию, такие как система тепловых батарей, предложенная Генри, были бы слишком горячими для турбин.

В последние годы ученые изучают 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, поскольку в них нет движущихся частей», — говорит Генри. «Они просто надежно генерируют электроэнергию».

Термофотоэлектрические элементы предложили один из путей исследования твердотельных тепловых двигателей. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной шириной запрещенной зоны — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может вытолкнуть электрон через запрещенную зону, где электрон затем может провести, и, таким образом, генерировать электричество — делая это без движения роторов или лопастей.

На сегодняшний день большинство ячеек TPV достигли эффективности только около 20 процентов, а рекорд - 32 процента, поскольку они были сделаны из материалов с относительно узкой запрещенной зоной, которые преобразуют низкотемпературные низкоэнергетические фотоны и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.

В своей новой конструкции TPV Генри и его коллеги стремились улавливать фотоны с более высокой энергией от источника тепла с более высокой температурой, тем самым более эффективно преобразовывая энергию. Новая ячейка команды делает это с материалами с большей шириной запрещенной зоны и несколькими соединениями или слоями материала по сравнению с существующими конструкциями TPV.

Ячейка изготовлена ​​из сплава с высокой шириной запрещенной зоны, который находится поверх сплава с немного меньшей шириной запрещенной зоны, под которым находится зеркальный слой золота. Первый слой улавливает 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 в виде потерянного тепла.

Команда проверила эффективность ячейки, поместив ее над датчиком теплового потока — устройством, которое непосредственно измеряет тепло, поглощаемое ячейкой. Они подвергали ее воздействию высокотемпературной лампы и концентрировали свет на ячейке. Затем они меняли интенсивность лампы или температуру и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым им теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новый элемент TPV сохранял эффективность около 40 процентов.

«Мы можем добиться высокой эффективности в широком диапазоне температур, характерных для тепловых батарей», — говорит Генри.