Тепловой двигатель представляет собой термофотовольтаический элемент (TPV), аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает высокоэнергетические фотоны от раскаленного добела источника тепла и преобразует их в электричество. Конструкция команды может генерировать электроэнергию из источника тепла 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 сильно изолированных банках горячего графита. Когда требуется энергия, например, в пасмурные дни, элементы TPV преобразуют тепло в электричество и направляют энергию в электросеть.

С помощью новой ячейки TPV команда теперь успешно продемонстрировала основные части системы в отдельных, маломасштабных экспериментах. Они работают над интеграцией деталей, чтобы продемонстрировать полностью работоспособную систему. Оттуда они надеются расширить систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью обезуглероженную энергосистему, полностью обеспечиваемую возобновляемыми источниками энергии.

"Термофотовольтаические элементы были последним ключевым шагом к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией", - говорит Асегун Генри, профессор карьерного роста Роберта Нойса на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. "Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемых источников энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети".

Генри и его сотрудники опубликовали свои результаты сегодня в журнале Природа. В число соавторов из Массачусетского технологического института входят Алина Лапотин, Кевин Шульте, Кайл Бузницкий, Колин Келсалл, Эндрю Роскопф и Эвелин Ванг, профессор инженерного дела Форда и заведующая кафедрой машиностроения, а также сотрудники NREL в Голдене, штат Колорадо.

Преодоление разрыва

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

В среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35 процентов энергии источника тепла в электроэнергию, 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 выше 2000 градусов Цельсия, такие как предлагаемая Генри система тепловых батарей, были бы слишком горячими для турбин.

В последние годы ученые изучили твердотельные альтернативы - тепловые двигатели без движущихся частей, которые потенциально могли бы 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 у них нет движущихся частей", - говорит Генри. "Они просто сидят там и надежно вырабатывают электричество".

Термофотовольтаические элементы предложили один из исследовательских путей к твердотельным тепловым двигателям. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной запрещенной зоной - промежутком между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может отбросить электрон через запрещенную зону, где электрон затем может проводить и тем самым генерировать электричество - делая это без перемещения роторов или лопастей.

На сегодняшний день большинство элементов TPV достигли КПД всего около 20 процентов, при рекордном показателе в 32 процента, поскольку они были изготовлены из материалов с относительно низкой запрещенной зоной, которые преобразуют фотоны с более низкой температурой и низкой энергией и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.

Ловящий свет

В своей новой конструкции TPV Генри и его коллеги стремились улавливать фотоны более высокой энергии от источника тепла с более высокой температурой, тем самым более эффективно преобразуя энергию. Новая ячейка команды делает это с использованием материалов с более высокой запрещенной зоной и множеством переходов, или слоев материала, по сравнению с существующими конструкциями TPV.

Ячейка изготовлена из трех основных областей: сплава с высокой запрещенной зоной, который расположен поверх сплава с немного меньшей запрещенной зоной, под которым находится зеркальный слой золота. Первый слой улавливает фотоны с самой высокой энергией от источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией, проходящие через первый слой, улавливаются вторым слоем и преобразуются для увеличения генерируемого напряжения. Любые фотоны, которые проходят через этот второй слой, затем отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, а не поглощаются в виде потраченного впустую тепла.

Команда проверила эффективность элемента, поместив его поверх датчика теплового потока - устройства, которое непосредственно измеряет тепло, поглощаемое элементом. Они подвергли клетку воздействию высокотемпературной лампы и сконцентрировали свет на клетке. Затем они варьировали интенсивность или температуру лампы и наблюдали, как энергоэффективность элемента - количество вырабатываемой им энергии по сравнению с поглощаемым теплом - меняется в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов Цельсия новый TPV-элемент сохранял КПД около 40 процентов.

"Мы можем добиться высокой эффективности в широком диапазоне температур, характерных для тепловых батарей", - говорит Генри.

Ячейка в экспериментах составляет около квадратного сантиметра. Генри предполагает, что для системы тепловых батарей в сетевом масштабе ячейки TPV должны были бы иметь площадь около 10 000 квадратных футов (примерно четверть футбольного поля) и работать на складах с климат-контролем, чтобы получать энергию из огромных хранилищ солнечной энергии. Он указывает, что существует инфраструктура для производства крупномасштабных фотоэлектрических элементов, которые также могут быть адаптированы для производства TPV.

"Здесь определенно есть огромный чистый позитив с точки зрения устойчивости", - говорит Генри. "Технология безопасна, безвредна для окружающей среды в течение своего жизненного цикла и может оказать огромное влияние на сокращение выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии".

Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.