Термофотоэлектрическое преобразование энергии

Термофотоэлектрическое ( TPV ) преобразование энергии – это процесс прямого преобразования тепла в электричество посредством фотонов . Базовая термофотоэлектрическая система состоит из горячего объекта, излучающего тепловое излучение , и фотоэлектрического элемента, аналогичного солнечному элементу, но настроенного на спектр, излучаемый горячим объектом.

Поскольку системы TPV обычно работают при более низких температурах, чем солнечные элементы, их эффективность обычно низкая. Компенсировать это за счет использования многопереходных ячеек на основе некремниевых материалов является обычным, но, как правило, очень дорогим. В настоящее время это ограничивает TPV нишевыми функциями, такими как энергетика космических кораблей и сбор отработанного тепла от более крупных систем, таких как паровые турбины .

Общая концепция

PV

Типичная фотоэлектрическая система работает путем создания p – n-перехода вблизи передней поверхности тонкого полупроводникового материала. Когда фотоны, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны слоя объема, ниже перехода, электрон фотовозбуждается материала, попадают в атомы нижнего и освобождается от своего атома. Соединение создает электрическое поле , которое ускоряет электрон внутри клетки до тех пор, пока он не пройдет через соединение и не сможет свободно перемещаться к тонким электродам, нанесенным на поверхность. Соединение провода спереди назад позволяет электронам течь обратно в объем и замыкать цепь.

Фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны не выбрасывают электроны. Фотоны с энергией выше запрещенной зоны будут выбрасывать электроны с более высокой энергией, которые имеют тенденцию термализоваться внутри материала и терять свою дополнительную энергию в виде тепла. Если ширина запрещенной зоны ячейки увеличивается, испускаемые электроны будут иметь более высокую энергию, когда они достигнут перехода, и, таким образом, приведут к более высокому напряжению , но это уменьшит количество испускаемых электронов, поскольку больше фотонов будет иметь энергию ниже запрещенной зоны и, таким образом, генерировать меньший ток . Поскольку электрическая мощность является произведением напряжения и тока, существует золотая середина, при которой общая мощность максимальна.

Земное солнечное излучение обычно характеризуется стандартом, известным как воздушная масса 1,5 или AM1,5. Это очень близко к 1000 Вт энергии на квадратный метр при видимой температуре 5780 К. При этой температуре около половины всей энергии, достигающей поверхности, приходится на инфракрасный диапазон . Исходя из этой температуры, производство энергии максимизируется, когда ширина запрещенной зоны составляет около 1,4 эВ в ближней инфракрасной области . Это очень близко к ширине запрещенной зоны легированного кремния , равной 1,1 эВ, что делает производство солнечных фотоэлектрических систем недорогим.

Это означает, что вся энергия в инфракрасном диапазоне и ниже, около половины AM1,5, тратится впустую. Продолжаются исследования клеток, состоящих из нескольких разных слоев, каждый из которых имеет разную ширину запрещенной зоны и, таким образом, настроенных на разные части солнечного спектра. По состоянию на 2022 год Элементы с общим КПД в диапазоне 40% коммерчески доступны, хотя они чрезвычайно дороги и не нашли широкого применения за пределами конкретных целей, таких как питание космических кораблей , где стоимость не является существенным фактором.

НДС

Спектры с более высокими температурами не только содержат больше энергии в целом, но также содержат эту энергию в более концентрированном пике. Низкотемпературные источники, нижняя линия которых близка к линии сварочной горелки , распределяют свою энергию гораздо шире. Для эффективного сбора этой энергии необходимы многослойные клетки.

Тот же процесс фотоэмиссии можно использовать для производства электричества любого спектра, хотя количество полупроводниковых материалов, ширина запрещенной зоны которых будет подходящей для произвольного горячего объекта, ограничено. Вместо этого необходимы полупроводники с настраиваемой запрещенной зоной. Также сложно производить тепловую мощность, подобную солнечной; составляет температура кислородно-ацетиленовой горелки около 3400 К (~ 3126 ° C), а более распространенные коммерческие источники тепла, такие как уголь и природный газ, горят при гораздо более низких температурах - от 900 до 1300 ° C. Это еще больше ограничивает подходящие материалы. В случае TPV большинство исследований было сосредоточено на антимониде галлия (GaSb), хотя германий (Ge) также подходит.

Другая проблема с источниками с более низкой температурой заключается в том, что их энергия более распределена в соответствии с законом смещения Вина . Хотя можно создать практичный солнечный элемент с одной запрещенной зоной, настроенной на пик спектра, и просто игнорировать потери в ИК-диапазоне, сделать то же самое с источником с более низкой температурой потеряет гораздо больше потенциальной энергии и приведет к очень низким общая эффективность. Это означает, что в системах TPV почти всегда используются многопереходные элементы для достижения разумной эффективности, выражаемой двузначными цифрами. Текущие исследования в этой области направлены на повышение эффективности системы при сохранении низкой стоимости системы. но даже в этом случае их роль, как правило, заключается в нишах, аналогичных нишам многопереходных солнечных элементов.

Фактический дизайн

Системы TPV обычно состоят из источника тепла, излучателя и системы отвода отходящего тепла. Элементы TPV размещаются между эмиттером, часто металлическим блоком или чем-то подобным, и системой охлаждения, часто пассивным радиатором. Фотоэлектрические системы, как правило, работают с меньшей эффективностью по мере повышения температуры, а в системах TPV поддержание фотоэлектрического холода является серьезной проблемой.

Это контрастирует с несколько родственной концепцией - ячейками «термоизлучения» или «отрицательной эмиссии», в которых фотодиод находится на горячей стороне теплового двигателя. Также были предложены системы, в которых терморадиационное устройство используется в качестве излучателя в системе TPV, что теоретически позволяет извлекать энергию как из горячего, так и из холодного фотодиода.

Приложения

РИТЭГи

Обычные радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ), используемые для питания космических кораблей, используют радиоактивный материал, излучение которого используется для нагрева блока материала, а затем преобразуется в электричество с помощью термопары . Термопары очень неэффективны, и их замена на TPV может обеспечить значительное повышение эффективности и, следовательно, потребует меньшего и более легкого РИТЭГа для любой конкретной задачи. Экспериментальные системы, разработанные Emcore (поставщиком многопереходных солнечных элементов), Creare, Oak Ridge и продемонстрировали НАСА, Исследовательским центром Гленна эффективность от 15 до 20%. Похожая концепция была разработана Хьюстонским университетом и достигла эффективности 30%, что в 3–4 раза лучше существующих систем.

Термоэлектрическое хранение

Еще одна область активных исследований — использование TPV в качестве основы системы хранения тепла. В этой концепции электричество, вырабатываемое в непиковое время, используется для нагрева большого блока материала, обычно углерода или материала с фазовым переходом . Материал окружен ячейками TPV, которые, в свою очередь, окружены отражателем и изоляцией. Во время хранения ячейки TPV отключаются, фотоны проходят через них и отражаются обратно в высокотемпературный источник. Когда требуется питание, TPV подключается к нагрузке.

Сбор отходящего тепла

Элементы TPV были предложены в качестве вспомогательных устройств преобразования энергии для улавливания тепла, которое в противном случае терялось бы в других системах производства электроэнергии, таких как системы паровых турбин или солнечные элементы.

История

Генри Колм сконструировал элементарную систему TPV в Массачусетском технологическом институте в 1956 году. Однако Пьер Эгрэн широко упоминается как изобретатель на основании лекций, которые он читал в Массачусетском технологическом институте в период с 1960 по 1961 год, которые, в отличие от системы Колма, привели к исследованиям и разработкам.

В 1980-е годы эффективность достигала около 30%.

В 1997 году был построен прототип гибридного автомобиля TPV - автомобиль с двигателем Viking 29 (TPV), спроектированный и изготовленный Научно-исследовательским институтом транспортных средств (VRI) Университета Западного Вашингтона .

В 2022 году MIT / NREL анонсировала устройство с КПД 41%. В поглотителе использовались несколько слоев полупроводника III-V, настроенных на поглощение различных фотонов: ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных. Золотой отражатель переработал непоглощенные фотоны. Устройство работало при температуре 2400 °C, при которой вольфрамовый излучатель достигает максимальной яркости.

В 2024 году исследователи анонсировали устройство, которое достигло эффективности 44%. В элементе в качестве теплоаккумулирующего материала использовался карбид кремния. SiC был окутан полупроводниковым материалом, состоящим из индия, галлия и мышьяка. При температуре 1435 °C (2615 °F) устройство излучает тепловые фотоны на различных уровнях энергии. Полупроводник захватывает от 20 до 30% фотонов. Дополнительные слои включают воздух и слой золотого отражателя.

Подробности

Эффективность

Верхним пределом эффективности TPV (и всех систем, преобразующих тепловую энергию в работу) является КПД Карно , то есть КПД идеального теплового двигателя . Эта эффективность обеспечивается:

$\eta =1-{\frac {T_{cell}}{T_{emit}}}$

где T- _ячейка — температура фотоэлектрического преобразователя. Практические системы могут достигать T _ячейки = ~ 300 К и T _{излучения} = ~ 1800 К, что дает максимально возможный КПД ~ 83%. Это предполагает, что фотоэлектрическая энергия преобразует излучение в электрическую энергию без потерь, таких как термализация или джоулево нагрев , хотя на самом деле фотоэлектрическая неэффективность весьма значительна. В реальных устройствах по состоянию на 2021 год максимальный продемонстрированный в лаборатории КПД составил 35% при температуре эмиттера 1773 К. Это эффективность с точки зрения преобразования теплового потока в электроэнергию. В полных системах TPV может быть указан обязательно более низкий общий КПД системы, включая источник тепла, поэтому, например, системы TPV, работающие на топливе, могут сообщать об эффективности с точки зрения преобразования топливной энергии в электрическую энергию, и в этом случае 5% считается «мировой рекорд» уровня эффективности. Реальная эффективность снижается из-за таких эффектов, как потери при теплопередаче, эффективность электрического преобразования (выходное напряжение TPV часто довольно низкое) и потери из-за активного охлаждения фотоэлектрического элемента.

Излучатели

Отклонения от идеального поглощения и поведения идеального черного тела приводят к потерям света. В случае селективных излучателей любой свет, излучаемый на длинах волн, не соответствующих энергии запрещенной зоны фотогальванических элементов, может быть неэффективно преобразован, что снижает эффективность. В частности, трудно избежать излучений, связанных с фононными резонансами, для длин волн глубокого инфракрасного диапазона , которые практически невозможно преобразовать. Идеальный излучатель не будет излучать свет на длинах волн, отличных от энергии запрещенной зоны, и многие исследования TPV посвящены разработке излучателей, которые лучше аппроксимируют этот узкий спектр излучения.

Фильтры

Для излучателей черного тела или несовершенных селективных излучателей фильтры отражают неидеальные длины волн обратно к излучателю. Эти фильтры несовершенны. Любой свет, который поглощается или рассеивается и не перенаправляется на излучатель или преобразователь, теряется, как правило, в виде тепла. И наоборот, практические фильтры часто отражают небольшой процент света в желаемых диапазонах длин волн. И то, и другое является неэффективностью. Поглощение неоптимальных длин волн фотоэлектрическим устройством также приводит к снижению эффективности и дополнительному эффекту его нагрева, что также снижает эффективность.

Конвертеры

Даже для систем, в которых на фотоэлектрический преобразователь подается только свет оптимальной длины волны, существует неэффективность, связанная с безызлучательной рекомбинацией и омическими потерями . Существуют также потери из-за отражений Френеля на поверхности фотоэлектрической панели, света оптимальной длины волны, который проходит через ячейку непоглощенным, а также разницы в энергии между фотонами с более высокой энергией и энергией запрещенной зоны (хотя она, как правило, менее значительна, чем в солнечных фотоэлектрических батареях). Потери безызлучательной рекомбинации имеют тенденцию становиться менее значительными по мере увеличения интенсивности света, но возрастают с увеличением температуры, поэтому реальные системы должны учитывать интенсивность, создаваемую данной конструкцией и рабочей температурой .

Геометрия

В идеальной системе излучатель окружен преобразователями, поэтому свет не теряется. На самом деле, геометрия должна учитывать входную энергию (впрыск топлива или входной свет), используемую для нагрева излучателя. Кроме того, затраты не позволили окружить фильтр преобразователями. Когда эмиттер повторно излучает свет, все, что не попадает в преобразователи, теряется. Зеркала можно использовать для перенаправления части этого света обратно на излучатель; однако зеркала могут иметь свои потери.

Излучение черного тела

Для излучателей черного тела, в которых рециркуляция фотонов достигается с помощью фильтров, закон Планка гласит, что черное тело излучает свет со спектром, определяемым следующим образом:

$I'(\lambda ,T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}$

где I ′ — световой поток определенной длины волны λ , выраженный в единицах 1 м. ^–3 ⋅s ^–1 . h — постоянная Планка , k — постоянная Больцмана , c — скорость света, а T _{испускает} — температура эмиттера. Таким образом, световой поток с длинами волн в определенном диапазоне можно найти путем интегрирования по диапазону. Пиковая длина волны определяется температурой T _{излучаемого излучения} на основе закона смещения Вина :

$\lambda _{\mathrm {max} }={\frac {b}{T}},$

где b — постоянная смещения Вина. Для большинства материалов максимальная температура, при которой излучатель может стабильно работать, составляет около 1800 °C. Это соответствует интенсивности с максимумом при λ ≅ 1600 нм или энергии ~0,75 эВ. Для более разумных рабочих температур 1200 °C это значение падает до ~0,5 эВ. Эти энергии определяют диапазон запрещенной зоны, необходимый для практических преобразователей TPV (хотя пиковая спектральная мощность немного выше). Традиционные фотоэлектрические материалы, такие как Si (1,1 эВ) и GaAs (1,4 эВ), существенно менее практичны для TPV-систем, поскольку интенсивность спектра черного тела при этих энергиях низка для излучателей при реальных температурах.

Выбор активных компонентов и материалов

Излучатели

Эффективность, термостойкость и стоимость — три основных фактора при выборе излучателя TPV. Эффективность определяется энергией, поглощаемой относительно приходящего излучения. Работа при высоких температурах имеет решающее значение, поскольку эффективность увеличивается с увеличением рабочей температуры. По мере увеличения температуры эмиттера излучение черного тела смещается в сторону более коротких длин волн, что обеспечивает более эффективное поглощение фотоэлектрическими элементами.

Поликристаллический карбид кремния

Поликристаллический карбид кремния (SiC) является наиболее часто используемым эмиттером для горелок TPV. SiC термически стабилен до ~1700 °C. Однако SiC излучает большую часть своей энергии в длинноволновом режиме, энергия которого намного ниже, чем даже у фотоэлектрических элементов с самой узкой запрещенной зоной. Такое излучение не преобразуется в электрическую энергию. Однако непоглощающие селективные фильтры перед ФЭ, или зеркала, расположенные на задней стороне фотоэлектрического модуля может использоваться для отражения длинных волн обратно к эмиттеру, тем самым перерабатывая непреобразованную энергию. Кроме того, поликристаллический SiC стоит недорого.

вольфрам

Вольфрам — наиболее распространенный тугоплавкий металл , который можно использовать в качестве селективного излучателя. Он имеет более высокую излучательную способность в видимом и ближнем ИК-диапазоне от 0,45 до 0,47 и низкую излучательную способность от 0,1 до 0,2 в ИК-области. Излучатель обычно имеет форму цилиндра с герметичным дном, которое можно считать полостью. Эмиттер прикреплен к задней части теплового поглотителя, такого как SiC, и поддерживает ту же температуру. Излучение происходит в видимом и ближнем ИК-диапазоне, и его можно легко преобразовать с помощью фотоэлектрических модулей в электрическую энергию. Однако по сравнению с другими металлами вольфрам легче окисляется.

Оксиды редкоземельных металлов

Оксиды редкоземельных элементов, такие как оксид иттербия (Yb ₂ O ₃ ) и оксид эрбия (Er ₂ O ₃ ), являются наиболее часто используемыми селективными излучателями. Эти оксиды излучают узкую полосу длин волн в ближней инфракрасной области, что позволяет адаптировать спектры излучения для лучшего соответствия характеристикам поглощения конкретного фотоэлектрического материала. Пик спектра излучения приходится на 1,29 эВ для Yb ₂ O ₃ и 0,827 эВ для Er ₂ O ₃ . В результате Yb ₂ O ₃ может использоваться в качестве селективного эмиттера для кремниевых элементов, а Er ₂ O ₃ - для GaSb или InGaAs. Однако небольшое несоответствие между пиками излучения и запрещенной зоной поглотителя приводит к значительным потерям эффективности. Селективная эмиссия становится значительной только при 1100 °C и увеличивается с температурой. Ниже 1700 °C селективное выделение оксидов редкоземельных элементов довольно низкое, что еще больше снижает эффективность. В настоящее время эффективность 13% достигнута с помощью Yb ₂ O ₃ и кремниевых фотоэлектрических элементов. В целом селективные излучатели имели ограниченный успех. Чаще всего фильтры используются с излучателями черного тела для пропускания длин волн, соответствующих ширине запрещенной зоны фотоэлектрического модуля, и отражения несовпадающих длин волн обратно в эмиттер.

Фотонные кристаллы

Фотонные кристаллы позволяют точно контролировать свойства электромагнитных волн. Эти материалы создают фотонную запрещенную зону (ФЗЗ). В спектральном диапазоне ФЗЗ электромагнитные волны распространяться не могут. Разработка этих материалов дает некоторую возможность адаптировать их эмиссионные и абсорбционные свойства, что позволяет создать более эффективную конструкцию излучателя. Селективные излучатели с пиками с более высокой энергией, чем пик черного тела (для практических температур TPV), позволяют использовать преобразователи с более широкой запрещенной зоной. Эти преобразователи традиционно дешевле в производстве и менее чувствительны к температуре. Исследователи из Sandia Labs предсказали высокую эффективность (34% излучаемого света преобразуется в электричество) на основе эмиттера TPV, продемонстрированного с использованием фотонных кристаллов вольфрама. Однако производство таких устройств сложно и коммерчески нецелесообразно.

Фотоэлектрические элементы

Кремний

Ранние работы TPV были сосредоточены на использовании кремния. Коммерческая доступность кремния, низкая стоимость, масштабируемость и простота производства делают этот материал привлекательным кандидатом. Однако относительно широкая запрещенная зона кремния (1,1 эВ) не идеальна для использования с эмиттером черного тела при более низких рабочих температурах. Расчеты показывают, что Si-PV возможны только при температурах намного выше 2000 К. Не было продемонстрировано ни одного эмиттера, который мог бы работать при таких температурах. Эти инженерные трудности привели к поиску полупроводниковых фотоэлектрических модулей с меньшей запрещенной зоной.

Использование селективных радиаторов с Si-PV все еще возможно. Селективные излучатели будут устранять фотоны высокой и низкой энергии, уменьшая выделяемое тепло. В идеале селективные излучатели не должны излучать излучение за пределами диапазона фотоэлектрического преобразователя, что значительно увеличивает эффективность преобразования. Никакие эффективные TPV с использованием Si PV не были реализованы.

германий

Ранние исследования полупроводников с узкой запрещенной зоной были сосредоточены на германии (Ge). Ширина запрещенной зоны Ge составляет 0,66 эВ, что позволяет преобразовывать гораздо более высокую долю входящего излучения. Однако наблюдались плохие характеристики из-за высокой эффективной массы электронов Ge. По сравнению с полупроводниками III-V высокая эффективная масса электронов Ge приводит к высокой плотности состояний в зоне проводимости и, следовательно, к высокой концентрации собственных носителей заряда. В результате Ge -диоды имеют быстро затухающий «темновой» ток и, следовательно, низкое напряжение холостого хода. Кроме того, пассивация поверхности германия оказалась трудной.

Антимонид галлия

Фотоэлектрический элемент из антимонида галлия (GaSb), изобретенный в 1989 году. является основой большинства фотоэлектрических элементов в современных системах TPV. GaSb — полупроводник III-V классов с кристаллической структурой цинковой обманки . Ячейка GaSb является ключевой разработкой из-за ее узкой запрещенной зоны 0,72 эВ. Это позволяет GaSb реагировать на свет с большей длиной волны, чем кремниевый солнечный элемент, обеспечивая более высокую плотность мощности в сочетании с искусственными источниками излучения. Был продемонстрирован солнечный элемент с эффективностью 35% с использованием двухслойной фотоэлектрической батареи с GaAs и GaSb. установление рекорда эффективности солнечных батарей .

Изготовить фотоэлектрический элемент GaSb довольно просто. Чохральского, теллуром , легированные Пластины GaSb n-типа коммерчески доступны. Диффузия цинка из паров осуществляется при повышенных температурах (~ 450 ° C), чтобы обеспечить легирование p-типа. На передние и задние электрические контакты нанесен рисунок с использованием традиционных методов фотолитографии и нанесено антибликовое покрытие. Эффективность оценивается примерно в 20% при использовании спектра черного тела при 1000 ° C. Радиационный предел эффективности GaSb-ячейки в этой установке составляет 52%.

Антимонид арсенида индия-галлия

Антимонид арсенида индия-галлия (InGaAsSb) представляет собой соединение полупроводника III-V . (In _x Ga _1-x As _y Sb _1-y ) Добавление GaAs позволяет получить более узкую запрещенную зону (от 0,5 до 0,6 эВ) и, следовательно, лучшее поглощение длинных волн. В частности, ширина запрещенной зоны была рассчитана на 0,55 эВ. Благодаря такой запрещенной зоне соединение достигло взвешенной по фотонам внутренней квантовой эффективности 79% с коэффициентом заполнения 65% для черного тела при 1100 °C. Это было устройство, выращенное на подложке GaSb методом газофазной эпитаксии (OMVPE). Устройства выращивались методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Внутренняя квантовая эффективность (IQE) этих устройств приближается к 90%, в то время как устройства, выращенные двумя другими методами, превышают 95%. Самой большой проблемой ячеек InGaAsSb является разделение фаз. Композиционные несоответствия во всем устройстве ухудшают его характеристики. Когда разделения фаз можно избежать, IQE и коэффициент заполнения InGaAsSb приближаются к теоретическим пределам в диапазонах длин волн, близких к энергии запрещенной зоны. Однако соотношение Voc _/ Eg _далеко от идеала. Современные методы производства фотоэлектрических батарей InGaAsSb дороги и коммерчески нежизнеспособны.

Арсенид индия-галлия

Арсенид индия-галлия (InGaAs) представляет собой соединение полупроводника III-V. Его можно применять двумя способами для использования в TPV. При согласовании решетки с подложкой InP InGaAs имеет ширину запрещенной зоны 0,74 эВ, что не лучше, чем у GaSb. Устройства такой конфигурации выпускаются с коэффициентом заполнения 69% и КПД 15%. Однако для поглощения фотонов с более высокой длиной волны можно создать запрещенную зону, изменив соотношение In и Ga. Диапазон запрещенной зоны для этой системы составляет примерно от 0,4 до 1,4 эВ. Однако эти разные структуры вызывают напряжение подложки InP. Это можно контролировать с помощью градиентных слоев InGaAs различного состава. Это было сделано для разработки устройства с квантовой эффективностью 68% и коэффициентом заполнения 68%, выращенного методом МЛЭ. Это устройство имело ширину запрещенной зоны 0,55 эВ, достигнутую в соединении In _0,68 Ga _0,33 As. Это хорошо разработанный материал. InGaAs можно добиться идеального согласования решетки с Ge, что приведет к низкой плотности дефектов. Использование Ge в качестве подложки является существенным преимуществом перед более дорогими или сложными в производстве подложками.

Фосфид индия, арсенид, антимонид

Четвертичный сплав InPAsSb был выращен методами OMVPE и LPE. При согласовании решетки с InAs его запрещенная зона находится в диапазоне 0,3–0,55 эВ. Преимущества такой малой ширины запрещенной зоны глубоко не изучались. Таким образом, ячейки, содержащие InPAsSb, не оптимизированы и пока не обладают конкурентоспособными характеристиками. Самый длинный спектральный отклик исследованной ячейки InPAsSb составлял 4,3 мкм с максимальным откликом при 3 мкм. Для этого и других материалов с малой запрещенной зоной трудно достичь высокого IQE для длинных волн из-за увеличения оже-рекомбинации .

Квантовые ямы селенида свинца-олова/селенида свинца-стронция

Материалы с квантовыми ямами PbSnSe/PbSrSe, которые можно выращивать методом MBE на кремниевых подложках, были предложены для изготовления недорогих устройств TPV. Эти полупроводниковые материалы IV-VI могут иметь ширину запрещенной зоны от 0,3 до 0,6 эВ. Их симметричная зонная структура и отсутствие вырождения валентной зоны приводят к низким скоростям оже-рекомбинации, которые обычно более чем на порядок меньше, чем у сопоставимых полупроводниковых материалов с запрещенной зоной III-V.

Приложения

TPV обещают эффективные и экономически жизнеспособные энергосистемы как для военного, так и для коммерческого применения. По сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии, горелки TPV имеют небольшие выбросы NO _x и практически бесшумны. Солнечные TPV являются источником возобновляемой энергии без выбросов. TPV могут быть более эффективными, чем фотоэлектрические системы, благодаря переработке непоглощенных фотонов. Однако потери на каждом этапе преобразования энергии снижают эффективность. Когда TPV используются с источником горелки, они обеспечивают энергию по требованию. В результате накопление энергии может не потребоваться. Кроме того, из-за близости фотоэлектрических модулей к источнику излучения TPV могут генерировать плотность тока в 300 раз выше, чем у обычных фотоэлектрических фотоэлектрических модулей.

Хранение энергии

Переносная электростанция

Динамика поля боя требует портативного питания. Обычные дизельные генераторы слишком тяжелы для использования в полевых условиях. Масштабируемость позволяет TPV быть меньше и легче обычных генераторов. Кроме того, TPV имеют мало выбросов и бесшумны. Многотопливная эксплуатация является еще одним потенциальным преимуществом.

Расследования 1970-х годов провалились из-за ограничений фотоэлектрических систем. Однако фотоэлемент GaSb привел к возобновлению усилий в 1990-х годах с улучшенными результатами. зарядное устройство на базе TPV В начале 2001 года компания JX Crystals поставила в армию США , которое производило мощность 230 Вт и работало на пропане . В этом прототипе использовался эмиттер SiC, работающий при температуре 1250 ° C, и фотоэлементы GaSb, и он имел высоту примерно 0,5 м. Источник энергии имел КПД 2,5%, рассчитанный как отношение вырабатываемой мощности к тепловой энергии сгоревшего топлива. Это слишком мало для практического использования на поле боя. Ни один портативный источник питания TPV не прошел войсковых испытаний.

Сетевое хранилище

Преобразование избыточной электроэнергии в тепло для длительного долгосрочного хранения находится в стадии исследования в различных компаниях, которые утверждают, что затраты могут быть намного ниже, чем у литий-ионных батарей . Графит можно использовать в качестве носителя, а расплавленное олово — в качестве теплоносителя при температурах около 2000°. См. ЛаПотин А., Шульте К.Л., Штайнер М.А. и др. Термофотоэлектрический КПД 40%. Природа 604, 287–291 (2022). Термофотоэлектрический КПД 40% .

Космический корабль

Системы производства космической энергии должны обеспечивать стабильную и надежную электроэнергию без большого количества топлива. В результате идеально подходят солнечное и радиоизотопное топливо (чрезвычайно высокая удельная мощность и длительный срок службы). Для каждого из них были предложены TPV. В случае с солнечной энергией орбитальные космические корабли могут быть лучшим местом для размещения больших и потенциально громоздких концентраторов, необходимых для практических TPV. Однако соображения веса и неэффективности, связанные с более сложной конструкцией TPV, защищенных обычных фотоэлектрических модулей, продолжают доминировать.

Выход изотопов – это тепловая энергия. В прошлом использовалось термоэлектричество (прямое преобразование тепла в электричество без движущихся частей), поскольку эффективность TPV меньше ~ 10% термоэлектрических преобразователей. Двигатели Стирлинга считались слишком ненадежными, несмотря на КПД преобразования> 20%. Однако с учетом недавних достижений в области фотоэлектрических систем с малой запрещенной зоной, TPV становятся все более перспективными. Был продемонстрирован радиоизотопный преобразователь TPV с эффективностью 20%, в котором используется вольфрамовый эмиттер, нагретый до 1350 К, с тандемными фильтрами и фотоэлектрический преобразователь InGaAs с шириной запрещенной зоны 0,6 эВ (охлажденный до комнатной температуры). Около 30% потерь энергии приходилось на оптический резонатор и фильтры. Остальное произошло за счет эффективности фотоэлектрического преобразователя.

Работа преобразователя при низких температурах имеет решающее значение для эффективности TPV. Нагрев фотоэлектрических преобразователей увеличивает темновой ток, тем самым снижая эффективность. Конвертер нагревается излучением эмиттера. В наземных системах разумно рассеивать это тепло без использования дополнительной энергии с помощью радиатора . Однако космос — это изолированная система, в которой радиаторы непрактичны. Поэтому крайне важно разработать инновационные решения для эффективного отвода этого тепла. Оба представляют собой серьезные проблемы.

Коммерческие приложения

Автономные генераторы

TPV могут обеспечить непрерывное электроснабжение домов, не подключенных к сети. Традиционные фотоэлектрические системы не обеспечивают электроэнергию в зимние месяцы и в ночное время, в то время как TPV могут использовать альтернативные виды топлива для увеличения производства только солнечной энергии.

Самым большим преимуществом генераторов TPV является совместное производство тепла и электроэнергии. В холодном климате он может функционировать как обогреватель/печь, так и генератор энергии. Компания JX Crystals разработала прототип нагревательной печи/генератора TPV, который сжигает природный газ и использует излучатель SiC, работающий при 1250 °C, и фотоэлемент GaSb для выдачи 25 000 БТЕ /ч (7,3 кВт тепла), одновременно генерируя 100 Вт (КПД 1,4%). Однако затраты делают это непрактичным.

Объединение нагревателя и генератора называется комбинированным производством тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Было теоретически выдвинуто множество сценариев ТЭЦ-ТЭЦ, но исследование показало, что генератор, использующий кипящий теплоноситель, является наиболее экономически эффективным. В предлагаемой ТЭЦ будет использоваться ИК-излучатель SiC, работающий при температуре 1425 °C, и фотоэлементы GaSb, охлаждаемые кипящим теплоносителем. ТЭЦ TPV будет производить 85 000 БТЕ/ч (25 кВт тепла) и генерировать 1,5 кВт. Расчетная эффективность составит 12,3% (?) (1,5 кВт/25 кВт = 0,06 = 6%), что потребует инвестиций или 0,08 евро/кВтч при сроке службы 20 лет. Ориентировочная стоимость других ТЭЦ, не использующих TPV, составляет 0,12 евро/кВтч для ТЭЦ с газовым двигателем и 0,16 евро/кВтч для ТЭЦ на топливных элементах. Эта печь не была коммерциализирована, поскольку рынок не считался достаточно большим.

Рекреационные транспортные средства

TPV были предложены для использования в транспортных средствах для отдыха. Их способность использовать несколько источников топлива делает их интересными по мере появления более экологически чистых видов топлива. Бесшумная работа TPV позволяет им заменить шумные обычные генераторы (т.е. в «тихие часы» в палаточных лагерях национальных парков). Однако температуры эмиттера, необходимые для практической эффективности, делают TPV такого масштаба маловероятным.

Внешние ссылки

• 6-я Международная конференция по термофотоэлектрической генерации электроэнергии
• Обзор NRA технологии радиоизотопного преобразования энергии НАСА
• Новые термофотоэлектрические материалы могут заменить генераторы переменного тока в автомобилях и сэкономить топливо