211service.com
Lepší tepelná fotovoltaika
Nový přístup k přeměně tepla na elektřinu pomocí solárních článků by mohl učinit technologii zvanou tepelná fotovoltaika (TPV) praktičtější. MTPV , startup se sídlem v Bostonu, který získal 10 milionů dolarů, říká, že vyvinul prototypy, které jsou dostatečně velké pro praktické aplikace. Společnost nedávno oznámila dohody o instalaci zařízení ve sklárnách na výrobu elektřiny z horkých výfukových plynů.
Hot spot: Mikroskopická rozpěrka používaná k podpoře solárních článků méně než mikrometr nad jiným materiálem v tepelném fotovoltaickém zařízení.
Obecně platí, že tepelná fotovoltaika využívá solární články k přeměně světla, které vyzařuje z horkého povrchu, na elektřinu. Zatímco první aplikace budou vyrábět elektřinu z odpadního tepla, nakonec by tato technologie mohla být použita k výrobě elektřiny ze slunečního světla mnohem efektivněji než solární panely. V takovém systému se sluneční světlo soustředí na materiál, aby jej zahřálo, a světlo, které vyzařuje, je pak solárním článkem přeměněno na elektřinu.
Doposud byla tato technologie pro komerční aplikace nepraktická, částečně kvůli požadovaným vysokým teplotám a částečně kvůli konkurenci existujících technologií, jako jsou parní turbíny, pro přeměnu tepla na elektřinu. Inovace MTPV je metoda, jak zvýšit tok fotonů z ohřátého materiálu do solárního panelu 10krát ve srovnání s typickými tepelnými fotovoltaickými systémy, což by mohlo jeho systémy učinit menšími, levnějšími a praktickými při nižších teplotách, říká Robert DiMatteo, MTPV. VÝKONNÝ ŘEDITEL.
Běžný solární panel absorbuje světlo z celého spektra, ale účinně převádí pouze určité barvy. Velká část energie v ostatních vlnových délkách světla jde nazmar. V důsledku toho je maximální teoretická účinnost konvenčního solárního článku 30 procent, nebo 41 procent, pokud je sluneční světlo nejprve koncentrováno pomocí zrcadla nebo čočky. V tepelném fotovoltaickém systému se světlo koncentruje na materiál, aby jej zahřálo. Materiál je vybrán tak, že když se zahřeje, vyzařuje světlo na vlnových délkách, které solární článek dokáže efektivně přeměnit. V důsledku toho je teoretická maximální účinnost tepelného fotovoltaického systému 85 procent.
V praxi to znesnadní technické problémy, ale DiMatteo říká, že počítačové modely společnosti naznačují, že by měla být možná účinnost přes 50 procent. Prototypy nejsou tak účinné: přeměňují asi 10 až 15 procent tepla, které absorbují z výfuku skláren, na elektřinu, což podle DiMattea stačí k tomu, aby byla zařízení ekonomická. (Očekávaná účinnost TPV zařízení je také mnohem vyšší než účinnost předpokládaná u termoelektrických zařízení, která přímo přeměňují teplo na elektřinu.)
Klíčovým rozdílem mezi technologií MTPV a jinou tepelnou fotovoltaikou je umístění solárního článku a ohřívaného materiálu (MTPV znamená TPV s mikronovou mezerou). Ve své práci nejprve jako student na MIT a později jako výzkumný pracovník v Draper Laboratories v Cambridge, MA, DiMatteo zjistil, že umístění zahřátého materiálu extrémně blízko solárního článku umožnilo mnohem většímu množství fotonů uniknout z dané oblasti materiálu. absorbován solárním článkem.
V konvenčním systému TPV se většina fotonů generovaných v zahřátém materiálu odráží zpět do materiálu, když dosáhnou jeho povrchu; je to stejný jev, který zachycuje světlo v optických kabelech. Když se solární článek a ohřívaný materiál přiblíží k sobě, takže mezera mezi nimi je kratší než vlnová délka vyzařovaného světla, povrch již neodráží světlo zpět. Fotony putují z jednoho materiálu do druhého, jako by mezi nimi nebyla žádná mezera. Těsná vzdálenost také umožňuje elektronům na jedné straně mezery přenášet energii na elektrony na druhé straně. (Vakuum mezi ohřívaným materiálem a solárním článkem udržuje teplotní rozdíl mezi těmito dvěma, který je nutný pro dosažení vysoké účinnosti.) Vzhledem k tomu, že ohřátý materiál vyzařuje více fotonů, solární článek může generovat 10krát více elektřiny pro danou oblast, ve srovnání se solárním článkem v konvenčním TPV.
To umožňuje použít desetinu materiálu solárních článků, což výrazně snižuje náklady. Případně umožňuje vyrábět více energie při nižších teplotách, což Petr Peumans , profesor elektrotechniky na Stanfordské univerzitě, říká, že je to jedna z klíčových výhod tohoto přístupu. Konvenční tepelná fotovoltaika může vyžadovat teploty 1500 °C, říká. První prototypy od MTPV fungují dobře při méně než 1000 °C a DiMatteo říká, že teoreticky by tato technologie mohla ekonomicky vyrábět elektřinu při teplotách až 100 °C. Tento velký teplotní rozsah by mohl učinit technologii atraktivní pro výrobu elektřiny z tepla z různých zdrojů, včetně výfukových plynů automobilů, které by jinak byly promarněny.
Ale Peumans říká, že tato technologie má kompromis: protože ohřívaný materiál a solární článek jsou umístěny tak blízko u sebe, není možné mezi ně umístit filtr, který by pomohl vyladit vlnové délky světla, které dosáhne solárního článku. To by mohlo omezit maximální efektivitu, které může systém dosáhnout.
DiMatteo poprvé publikoval práci na konceptu MTPV na konci 90. let, ale až dosud trvalo zkonstruovat prototypy dostatečně velké, aby byly praktické. Jedním z hlavních problémů bylo najít způsoby, jak vytvořit mezeru, která má v průměru pouhou jednu desetinu mikrometru a přesto ji lze udržovat na relativně velkých plochách potřebných pro praktické zařízení. DiMatteo říká, že společnost zlepší výkon zařízení tím, že bude mezera neustále menší, což počítačové modely naznačují, že zlepší efektivitu.