Топлинен двигател без движещи се части на хоризонта
Инженери от MIT и Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) са проектирали топлинен двигател без движещи се части, който преобразува топлината в електричество с над 40 процента ефективност – производителност, по-добра от тази на традиционните парни турбини.
Топлинният двигател е термофотоволтаична (TPV) клетка, подобна на фотоволтаичните клетки на слънчевите панели, която пасивно улавя високоенергийни фотони от нажежен до бяло източник на топлина и ги преобразува в електричество. Моделът може да генерира електричество от източник на топлина между 1900 и 2400 градуса по Целзий.
Изследователите планират да включат TPV клетката в термична батерия в мрежов мащаб. Системата ще абсорбира излишната енергия от възобновяеми източници като слънцето и ще съхранява тази енергия в силно изолирани банки от горещ графит. Когато е необходима енергия, като например в облачни дни, TPV клетките ще преобразуват топлината в електричество и ще изпращат енергията към електрическата мрежа.
С новата клетка TPV екипът вече успешно демонстрира основните части на системата в отделни, малки по мащаб експерименти. Те работят за интегриране на частите, за да демонстрират напълно работеща система. Оттам се надяват да разширят системата, за да заменят електроцентралите, задвижвани от изкопаеми горива и да позволят напълно декарбонизирана енергийна мрежа, доставяна изцяло от възобновяема енергия.
„Термофотоволтаичните клетки бяха последната ключова стъпка към демонстрацията, че термичните батерии са жизнеспособна концепция“, казва Асегун Хенри, професор по кариерно развитие в катедрата по машинно инженерство на Масачузетския технологичен институт. „Това е абсолютно решаваща стъпка по пътя към разпространение на възобновяемата енергия и достигане до напълно декарбонизирана система.“
Хенри и неговите сътрудници публикуваха резултатите си днес в списание Nature . Съавторите в MIT включват Алина Лапотин, Кевин Шулте, Кайл Бузницки, Колин Келсал, Андрю Роскопф и Евелин Уанг, професор по инженерство на Ford и ръководител на катедрата по машинно инженерство, заедно със сътрудници в NREL в Голдън, Колорадо.
Прескачане на празнината
Повече от 90 процента от електроенергията в света идва от източници на топлина като въглища, природен газ, ядрена енергия и концентрирана слънчева енергия. В продължение на век парните турбини са индустриалният стандарт за преобразуване на такива източници на топлина в електричество.
Средно парните турбини надеждно преобразуват около 35 процента от топлинния източник в електричество, като около 60 процента представляват най-високата ефективност на всеки топлинен двигател досега. Но машината зависи от движещи се части, които са с ограничена температура. Източниците на топлина по-високи от 2000 градуса по Целзий, като предложената от Хенри система за термични батерии, биха били твърде горещи за турбините.
През последните години учените разгледаха алтернативи в твърдо състояние – топлинни двигатели без движещи се части, които потенциално биха могли да работят ефективно при по-високи температури.
„Едно от предимствата на твърдотелните енергийни преобразуватели е, че те могат да работят при по-високи температури с по-ниски разходи за поддръжка, тъй като нямат движещи се части“, казва Хенри. „Те просто седят там и надеждно генерират електричество.“
Термофотоволтаичните клетки предлагаха един проучвателен път към твърдотелни топлинни двигатели. Подобно на слънчевите клетки, TPV клетките могат да бъдат направени от полупроводникови материали с определена ширина на лентата – разликата между валентната лента на материала и неговата лента на проводимост. Ако фотон с достатъчно висока енергия се абсорбира от материала, той може да удари електрон през лентата, където след това електронът може да провежда и по този начин да генерира електричество, правейки това без да се движат ротори или лопатки.
Към днешна дата повечето TPV клетки са постигнали ефективност само от около 20 процента, като рекордът е 32 процента, тъй като са направени от материали с относително ниска лента, които преобразуват фотони с ниска температура и ниска енергия и следователно преобразуват енергията по-малко ефективно.
Хващане на светлина
В новия си TPV дизайн Хенри и колегите му се стремят да уловят фотони с по-висока енергия от източник на топлина с по-висока температура, като по този начин преобразуват енергията по-ефективно. Новата клетка на екипа прави това с материали с по-голяма ширина на лентата и множество кръстовища или материални слоеве, в сравнение със съществуващите TPV дизайни.
Клетката е произведена от три основни области: сплав с висока ширина, която седи върху сплав с малко по-ниска ширина, под която е огледален слой злато. Първият слой улавя фотоните с най-висока енергия на източника на топлина и ги преобразува в електричество, докато фотоните с по-ниска енергия, които преминават през първия слой, се улавят от втория и се преобразуват, за да добавят към генерираното напрежение. Всички фотони, които преминават през този втори слой, след това се отразяват от огледалото обратно към източника на топлина, вместо да се абсорбират като загуба на топлина.
Екипът тества ефективността на клетката, като я поставя върху сензор за топлинен поток – устройство, което директно измерва топлината, погълната от клетката. Те излагат клетката на високотемпературна лампа и концентрират светлината върху клетката. След това те променят интензитета или температурата на крушката и наблюдават как енергийната ефективност на клетката, количеството мощност, която произвежда, в сравнение с топлината, която поглъща се променя с температурата. В диапазон от 1900 до 2400 градуса по Целзий новата TPV клетка поддържа ефективност от около 40 процента.
„Можем да постигнем висока ефективност в широк диапазон от температури, подходящи за термичните батерии“, казва Хенри.
Клетката в експериментите е около квадратен сантиметър. За термична акумулаторна система в мрежов мащаб, Хенри предвижда, че TPV клетките ще трябва да достигнат до около 10 000 квадратни фута (около една четвърт от футболно игрище) и ще работят в складове с контролиран климат, за да черпят енергия от огромни банки съхранявани слънчева енергия. Той посочва, че съществува инфраструктура за производство на мащабни фотоволтаични клетки, които също могат да бъдат адаптирани за производство на TPV.
„Тук определено има огромен нетен позитив по отношение на устойчивостта“, казва Хенри. „Технологията е безопасна, безвредна за околната среда в своя жизнен цикъл и може да има огромно въздействие върху намаляването на емисиите на въглероден диоксид от производството на електроенергия.“
Източник: TechXplore
