Новый преобразователь тепла в энергию достиг рекордного КПД в 44%, для сравнения, средняя паровая турбина обеспечивает около 35%. Этот термофотоэлектрический элемент является важным шагом на пути к устойчивому сетевому хранению возобновляемой энергии.
Возобновляемую энергию становиться выгодно производить, но остается вопрос эффективного и долгосрочного хранения выработаной энергии. Одним из наиболее перспективных направлений является сохранение энергии в виде тепла. Сама среда может быть широкой: песок, расплавленная соль, вулканический пепел, угольные блоки, глиняные кирпичи и многие другие – но можно получать энергию из тепла и превращать ее в электричество.
Разработанное исследователями Мичиганского университета, устройство работает по принципу термофотогальваники. Это похоже на солнечные элементы, которые являются фотоэлектрическими и генерируют электричество из солнечного света. Очевидно, что термофотовольтаика добавляет в смесь тепло. На практике это означает, что они поглощают фотоны инфракрасной части спектра, а не фотоны видимого света с более высокой энергией, которые улавливают солнечные элементы.
Новый термофотоэлектрический элемент был протестирован с использованием карбида кремния в качестве теплоаккумулирующего материала, хотя его можно было заменить на любой другой работающий материал. Он окружен полупроводниковым материалом из индия, галлия и мышьяка, тщательно разработанным для захвата самого широкого спектра фотонов, особенно тех, которые производятся нагретым материалом.
Когда команда нагрела материал до 1435 °C, он начинает излучать тепловые фотоны на различных уровнях энергии, причем от 20 до 30% из них могут быть захвачены полупроводником. Чтобы использовать некоторые из них с более высокой или низкой энергией, ячейка содержит тонкий слой воздуха после полупроводника, за которым следует слой золотого отражателя. Это отбрасывает некоторые фотоны обратно в полупроводник для преобразования в электричество, в то время как другие отражаются обратно в материал, аккумулирующий тепло, давая им еще один шанс испуститься в качестве фотона правильного типа.
Результатом такой конструкции является общий КПД преобразования энергии 44%. Это делает его намного более эффективным, чем другие, работающие при той же температуре, максимальная эффективность которых составляет 37%. Другие конструкции превышали 40%, но они работают при гораздо более высоких температурах, что во многих ситуациях может быть менее осуществимо.
Идея состоит в том, что материал для хранения можно нагревать, используя электричество, вырабатываемое ветровой или солнечной электростанцией, или напрямую поглощая избыточное тепло от промышленных процессов, или солнечных теплоэнергетических систем. Возможно, его эффективность вдвое ниже, чем у литий-ионных батарей, но поскольку его производство и эксплуатация намного безопаснее и дешевле, это означает, что в любом случае выбрасывать половину электроэнергии все равно экономически выгодно, тем более что это уже не ограниченный ресурс.
«Мы еще не достигли предела эффективности этой технологии», - сказал Стивен Форрест, соавтор исследования. «Я уверен, что в скором будущем мы поднимемся до КПД 50%».
