Термофотоэлектрические ( ТПВ ) преобразования энергии является процесс прямого преобразования из тепла в электричество с помощью фотонов . Основная Термофотоэлектрическая система состоит из теплового излучателя и фотоэлектрического диод ячейки.
Температура теплового излучателя варьируется между различными системами приблизительно от 900 ° С до примерно 1300 ° С, хотя в принципе устройство TPV может извлекать энергию из любого излучателя с температурой повышенного выше, чем фотогальваническое устройство (формирование оптического теплового двигателя ). Излучатель может представлять собой кусок твердого материала или специально спроектированную конструкцию. Термическое излучение - это спонтанное излучение фотонов из-за теплового движения зарядов в материале. Для этих температур TPV это излучение в основном находится в ближнем инфракрасном и инфракрасном диапазонах . Фотоэлектрические диоды поглощают часть излучаемых фотонов и преобразуют их в электричество.
В термофотовольтаических системах практически нет движущихся частей , поэтому они тихие и не требуют особого обслуживания. Эти свойства делают термофотовольтаические системы подходящими для удаленных и переносных приложений по производству электроэнергии. Однако их эффективность - стоимость часто невысока по сравнению с другими технологиями производства электроэнергии. Текущие исследования в этой области направлены на повышение эффективности системы при сохранении низкой стоимости системы.
Системы TPV обычно пытаются согласовать оптические свойства теплового излучения ( длину волны , поляризацию , направление) с наиболее эффективными характеристиками поглощения фотоэлектрического элемента, поскольку непреобразованное тепловое излучение является основным источником неэффективности. Большинство групп сосредоточено на клетках с антимонидом галлия (GaSb). Германий (Ge) также подходит. [1] Многие исследования и разработки касаются методов управления свойствами эмиттера.
Ячейки TPV были предложены в качестве вспомогательных устройств преобразования энергии для улавливания потерянного тепла в других системах производства электроэнергии, таких как паротурбинные системы или солнечные элементы.
Был построен прототип гибридного автомобиля TPV, автомобиль с двигателем "Viking 29" [2] (TPV), спроектированный и построенный Исследовательским институтом транспортных средств (VRI) в Университете Западного Вашингтона .
Исследования TPV - активная область. Среди прочего, усилия Хьюстонского университета по разработке технологии преобразования радиоизотопной энергии TPV направлены на объединение термофотоэлектрической ячейки с термопарами, чтобы обеспечить повышение эффективности системы в 3-4 раза по сравнению с существующими радиоизотопными термоэлектрическими генераторами .
Панели также могут быть изготовлены с использованием термоизлучательных ячеек. В 2020 году профессор Джереми Мандей изобрел панели, которые позволят собирать электричество с ночного неба. Панели будут способны генерировать до 50 Вт мощности на квадратный метр, что составляет четверть того, что обычные панели могут генерировать в дневное время. [3] [4]
История
Генри Колм сконструировал элементарную систему TPV в Массачусетском технологическом институте в 1956 году. Однако Пьера Эгрена широко цитируют как изобретателя на основании содержания 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. [5]
Задний план
Термофотовольтаики (TPV) - это класс энергогенерирующих систем, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую. Они состоят как минимум из эмиттера и фотоэлектрического преобразователя энергии. Большинство систем TPV включают дополнительные компоненты, такие как концентраторы, фильтры и отражатели.
Основной принцип аналогичен принципу традиционной фотоэлектрической энергии (PV), где pn-переход используется для поглощения оптической энергии , генерации и разделения пар электрон / дырка и преобразования этой энергии в электричество. Разница в том, что оптическая энергия генерируется не Солнцем напрямую, а материалом с высокой температурой (называемым излучателем), который заставляет его излучать свет. Таким образом тепловая энергия преобразуется в электрическую.
Излучатель можно нагревать солнечным светом или другими способами. В этом смысле TPV обеспечивают большую универсальность в отношении потенциальных видов топлива. В случае солнечных ТПВ необходимы большие концентраторы для обеспечения разумных температур для эффективной работы.
Улучшения могут использовать преимущества фильтров или селективных излучателей для создания излучения в диапазоне длин волн, который оптимизирован для конкретного фотоэлектрического преобразователя. Таким образом, TPV могут решить фундаментальную проблему для традиционных фотоэлектрических модулей, эффективно используя весь солнечный спектр. Для излучателей черного тела фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны преобразователя не могут быть поглощены и либо отражаются и теряются, либо проходят через ячейку. Фотоны с энергией выше запрещенной зоны могут поглощаться, но избыточная энергия,, снова теряется, вызывая нежелательный нагрев в ячейке. В случае TPV могут существовать аналогичные проблемы, но для генерации спектров излучения можно использовать либо селективные излучатели (коэффициент излучения в определенном диапазоне длин волн), либо оптические фильтры, которые пропускают только узкий диапазон длин волн и отражают все остальные. которые могут быть оптимально преобразованы фотоэлектрическим устройством.
Чтобы максимизировать эффективность, все фотоны должны быть преобразованы. Для этого можно использовать процесс, который часто называют рециклингом фотонов. Отражатели размещаются за преобразователем и в любом другом месте системы, где фотоны не могут быть эффективно направлены на коллектор. Эти фотоны направляются обратно в концентратор, где они могут быть преобразованы, или обратно в излучатель, где они могут быть повторно поглощены для генерации тепла и дополнительных фотонов. Оптимальная система TPV будет использовать рециркуляцию фотонов и избирательную эмиссию для преобразования всех фотонов в электричество.
Эффективность
Верхний предел эффективности ТПВ (и всех систем, преобразующих тепловую энергию в работу) - это КПД Карно , идеального теплового двигателя . Эта эффективность определяется:
где Т- ячейка - это температура фотоэлектрического преобразователя. Практические системы могут достигать T- клетки = ~ 300K и T emit = ~ 1800, что дает эффективность ~ 83%. Это верхний предел эффективности системы. На 83% вся тепловая энергия преобразуется излучателем в излучение. Фотоэлектрический преобразователь преобразует излучение в электрическую энергию без потерь, таких как термализация или джоулева нагрев . Максимальная эффективность предполагает отсутствие изменения энтропии, что возможно только в том случае, если эмиттер и ячейка имеют одинаковую температуру.
Излучатели
Отклонения от идеального поглощения и идеального поведения черного тела приводят к потерям света. Для селективных излучателей любой свет, излучаемый на длинах волн, не соответствующих ширине запрещенной зоны фотоэлектрических элементов, может не преобразовываться эффективно, что снижает эффективность. В частности, трудно избежать излучения, связанного с фононными резонансами, для длин волн в глубоком инфракрасном диапазоне , который практически невозможно преобразовать. Идеальные излучатели не дают инфракрасного 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 - неэффективность.
Конвертеры
Даже для систем, в которых к преобразователю пропускается свет только с оптимальной длиной волны, существует неэффективность, связанная с безызлучательной рекомбинацией и омическими потерями . Поскольку эти потери могут зависеть от интенсивности света, падающего на элемент, реальные системы должны учитывать интенсивность, создаваемую данной конструкцией и рабочей температурой .
Геометрия
В идеальной системе излучатель окружен преобразователями, поэтому свет не теряется. Реально, геометрия должна учитывать входную энергию (впрыск топлива или входной свет), используемую для нагрева излучателя. Кроме того, затраты запретили окружать фильтр преобразователями. Когда излучатель 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:
где I '- световой поток определенной длины волны λ, выраженный в единицах 1 / м 3 / с. h - постоянная Планка , k - постоянная Больцмана , c - скорость света, а T emit - температура излучателя. Таким образом, световой поток с длинами волн в определенном диапазоне может быть найден путем интегрирования по диапазону. Пиковая длина волны определяется температурой T испускания на основании закона смещения Вина :
где b - постоянная смещения Вина. Для большинства материалов максимальная температура, при которой эмиттер может стабильно работать, составляет около 1800 ° C. Это соответствует максимальной интенсивности при λ ~ 1600 нм или энергии ~ 0,75 эВ. Для более разумных рабочих температур 1200 ° C это падает до ~ 0,5 эВ. Эти энергии определяют диапазон запрещенных зон, необходимых 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 систем TPV, поскольку интенсивность спектра черного тела мала при этих энергиях для эмиттеров при реальных температурах.
Выбор активных компонентов и материалов
Излучатели
Эффективность, термостойкость и стоимость - три основных фактора при выборе излучателя TPV. Эффективность определяется поглощенной энергией относительно приходящего излучения. Работа при высоких температурах имеет решающее значение, поскольку эффективность возрастает с увеличением рабочей температуры. По мере увеличения температуры эмиттера излучение черного тела смещается в сторону более коротких 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. Тем не менее, SiC излучает большую часть своей энергии в длинноволновом режиме, причем энергия намного ниже, чем даже у фотоэлектрических элементов с самой узкой запрещенной зоной. Такое излучение не преобразуется в электрическую энергию. Однако непоглощающие селективные фильтры перед фотоэлектрическим элементом [6] или зеркала, нанесенные на заднюю сторону фотоэлектрического элемента [7], могут использоваться для отражения длинных волн обратно к эмиттеру, тем самым рециркулируя непреобразованную энергию. Кроме того, поликристаллический SiC стоит недорого.
Вольфрам
Вольфрам - самый распространенный тугоплавкий металл, который можно использовать в качестве селективного эмиттера. Он имеет более высокий коэффициент излучения в видимом и ближнем ИК-диапазоне от 0,45 до 0,47 и низкий коэффициент излучения от 0,1 до 0,2 в ИК-диапазоне. [8] Излучатель обычно имеет форму цилиндра с герметичным дном, который можно рассматривать как резонатор. Эмиттер прикреплен к задней части термопоглотителя, такого как SiC, и поддерживает ту же температуру. Излучение происходит в видимом и ближнем ИК-диапазоне, которое может быть легко преобразовано фотоэлектрическими элементами в электрическую энергию.
Оксиды редкоземельных элементов
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 находится при 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 шириной запрещенной зоны поглотителя приводит к значительному снижению эффективности. Избирательное излучение становится значительным только при 1100 ° C и увеличивается с увеличением температуры. 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 фотоэлементов. В целом селективные излучатели имели ограниченный успех. Чаще всего фильтры используются с излучателями черного тела для пропускания длин волн, согласованных с шириной запрещенной зоны фотоэлектрического преобразователя, и отражения несовпадающих длин волн обратно к излучателю.
Фотонные кристаллы
Фотонные кристаллы позволяют точно контролировать свойства электромагнитных волн. Эти материалы вызывают фотонную запрещенную зону (PBG). В спектральном диапазоне PBG электромагнитные волны распространяться не могут. Разработка этих материалов позволяет изменять их эмиссионные и абсорбционные свойства, что позволяет создать более эффективную конструкцию излучателя. Селективные излучатели с пиками при более высокой энергии, 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 продемонстрировали высокоэффективный (34% света, излучаемого селективным излучателем PBG, можно преобразовать в электричество) излучатель TPV с использованием фотонных кристаллов вольфрама. [9] Однако производство этих устройств сложно и коммерчески нецелесообразно.
Фотоэлектрические элементы
Кремний
Ранние работы TPV были сосредоточены на использовании кремния. Коммерческая доступность, низкая стоимость, масштабируемость и простота производства кремния делают этот материал привлекательным кандидатом. Однако относительно широкая запрещенная зона Si (1,1 эВ) не идеальна для использования с эмиттером черного тела при более низких рабочих температурах. Расчеты показывают, что кремниевые фотоэлементы 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 элементов с меньшей шириной запрещенной зоны.
Использование селективных радиаторов с кремниевыми фотоэлементами все еще возможно. Селективные излучатели будут устранять фотоны с высокой и низкой энергией, уменьшая выделяемое тепло. В идеале селективные излучатели не испускают излучения за пределы диапазона фотоэлектрического преобразователя, что значительно увеличивает эффективность преобразования. Никаких эффективных TPV не было реализовано с использованием Si PV.
Германий
Ранние исследования полупроводников с малой шириной запрещенной зоны были сосредоточены на германии (Ge). Ge имеет ширину запрещенной зоны 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. В результате Ge- диоды имеют быстро затухающий «темновой» ток и, следовательно, низкое напряжение холостого хода. Кроме того, пассивация поверхности германия оказалась сложной.
Антимонид галлия
Антимонид галлий фотоэлементов (GaSb), изобретенный в 1989 году, [10] является основой большинства фотоэлектрических элементов в современных системах TPV. GaSb представляет собой полупроводник III-V 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 более длинными волнами, чем кремниевые солнечные элементы, обеспечивая более высокие плотности мощности в сочетании с искусственными источниками излучения. Солнечный элемент с КПД 35% был продемонстрирован с использованием двухслойного фотоэлектрического элемента с GaAs и GaSb [10], установив рекорд эффективности солнечного элемента .
Изготовить фотоэлемент на основе GaSb довольно просто. Пластины GaSb n-типа, легированные теллуром Чохральского , коммерчески доступны. Диффузия цинка на основе паров осуществляется при повышенных температурах (~ 450 ° C), чтобы допустить легирование p-типа. На передние и задние электрические контакты нанесен рисунок с использованием традиционных методов фотолитографии и нанесено антибликовое покрытие. Эффективность оценивается в ~ 20% с использованием спектра черного тела 1000 ° C. [11] Радиационный предел эффективности ячейки GaSb в этой установке составляет 52%.
Антимонид арсенида индия-галлия
Антимонид арсенида индия-галлия (InGaAsSb) представляет собой полупроводник соединения 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 составляла 0,55 эВ. При такой ширине запрещенной зоны соединение достигло взвешенной по фотонам внутренней квантовой эффективности 79% с коэффициентом заполнения 65% для черного тела при 1100 ° C. [12] Это было сделано для устройства, выращенного на подложке из GaSb методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (OMVPE). Устройства были выращены методами молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и жидкофазной эпитаксии (LPE). Внутренняя квантовая эффективность (IQE) этих устройств приближается к 90%, в то время как устройства, выращенные с помощью двух других методов, превышают 95%. [13] Самая большая проблема с ячейками InGaAsSb - разделение фаз. Несогласованность состава всего устройства снижает его производительность. Когда можно избежать разделения фаз, IQE и коэффициент заполнения InGaAsSb приближаются к теоретическим пределам в диапазонах длин волн, близких к энергии запрещенной зоны. Однако соотношение V oc / E g далеко от идеального. [13] Современные методы производства фотоэлектрических модулей InGaAsSb дороги и коммерчески нецелесообразны.
Арсенид галлия индия
Арсенид индия-галлия (InGaAs) представляет собой полупроводник соединения III-V. Его можно применять двумя способами для использования в TPV. Когда решетка согласована с подложкой InP, InGaAs имеет ширину запрещенной зоны 0,74 эВ, не лучше, чем GaSb. Устройства этой конфигурации были произведены с коэффициентом заполнения 69% и КПД 15%. [14] Однако для поглощения фотонов с более высокой длиной волны ширина запрещенной зоны может быть изменена путем изменения отношения In к Ga. Диапазон ширины запрещенной зоны для этой системы составляет примерно от 0,4 до 1,4 эВ. Однако эти различные структуры вызывают деформацию подложки InP. Этим можно управлять с помощью градиентных слоев InGaAs с различным составом. Это было сделано для разработки устройства с квантовой эффективностью 68% и коэффициентом заполнения 68%, выращенного методом МЛЭ. [12] Это устройство имело ширину запрещенной зоны 0,55 эВ, достигнутую в соединении In 0,68 Ga 0,33 As. Это хорошо проработанный материал. Решетка InGaAs может быть идеально согласована с Ge, что приводит к низкой плотности дефектов. Ge в качестве подложки является значительным преимуществом перед более дорогими или сложными в производстве подложками.
Антимонид арсенида фосфида индия
Четвертичный сплав InPAsSb был выращен как в OMVPE, так и в LPE. При согласовании по решетке с InAs он имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,3–0,55 эВ. Преимущества такой малой ширины запрещенной зоны глубоко не изучены. Следовательно, ячейки, содержащие InPAsSb, не были оптимизированы и пока не имеют конкурентоспособных характеристик. Самый длинный спектральный отклик исследованной ячейки InPAsSb составлял 4,3 мкм с максимальным откликом при 3 мкм. [13] Для этого и других материалов с малой шириной запрещенной зоны трудно достичь высокого IQE для длинных волн из-за увеличения оже-рекомбинации .
Свинец селенид олова / Свинец квантовые ямы селенида стронция
Материалы с квантовыми ямами PbSnSe / PbSrSe, которые могут быть выращены методом МЛЭ на кремниевых подложках, были предложены для изготовления недорогих TPV-устройств. [15] Эти полупроводниковые материалы IV-VI могут иметь запрещенную зону от 0,3 до 0,6 эВ. Их симметричная зонная структура и отсутствие вырождения валентной зоны приводят к низким скоростям оже-рекомбинации, обычно более чем на порядок меньше, чем у сопоставимых полупроводниковых материалов III-V с запрещенной зоной.
Приложения
TPV обещают эффективные и экономически жизнеспособные системы питания как для военных, так и для коммерческих целей. По сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии, горелочные TPV имеют небольшие выбросы NO x и практически бесшумны. Солнечные ТПВ являются источником возобновляемой энергии без выбросов. TPV могут быть более эффективными, чем фотоэлектрические системы, благодаря рециркуляции непоглощенных фотонов. Однако потери на каждой ступени преобразования энергии снижают эффективность. Когда TPV используются с источником горелки, они выдают энергию по запросу. В результате накопление энергии может не понадобиться. Кроме того, из-за близости фотоэлектрического элемента к источнику излучения TPV могут генерировать плотность тока в 300 раз больше, чем обычные фотоэлектрические модули.
Портативная мощность
Динамика поля боя требует портативного источника питания. Обычные дизельные генераторы слишком тяжелы для использования в полевых условиях. Масштабируемость позволяет ТПВ быть меньше и легче обычных генераторов. Кроме того, у TPV мало выбросов и они бесшумны. Работа с несколькими видами топлива - еще одно потенциальное преимущество.
Исследования 1970-х годов не увенчались успехом из-за ограничений PV. Однако фотоэлемент на основе GaSb привел к возобновлению усилий в 1990-х годах с улучшенными результатами. В начале 2001 года компания JX Crystals поставила в армию США зарядное устройство на базе TPV, которое производило 230 Вт, работающее на пропане . В этом прототипе использовался SiC-эмиттер, работающий при 1250 ° C, и фотоэлементы из GaSb, его высота составляла примерно 0,5 м. [16] Источник энергии имел КПД 2,5%, рассчитанный как отношение вырабатываемой мощности к тепловой энергии сожженного топлива. Это слишком мало для практического использования на поле боя. Ни один переносной источник питания TPV не прошел войсковых испытаний.
Космический корабль
Системы космической энергетики должны обеспечивать стабильную и надежную подачу электроэнергии без большого количества топлива. В результате идеально подходят солнечные и радиоизотопные виды топлива (чрезвычайно высокая удельная мощность и длительный срок службы). TPV были предложены для каждого. В случае солнечной энергии орбитальные космические аппараты могут быть лучшим местом для больших и потенциально громоздких концентраторов, необходимых для практических TPV. Однако соображения веса и неэффективность, связанные с более сложной конструкцией TPV, защищенные обычные PV продолжают доминировать.
Выход изотопов - это тепловая энергия. В прошлом использовалось термоэлектричество (прямое преобразование тепла в электрическое без движущихся частей), поскольку КПД ТПВ меньше ~ 10% термоэлектрических преобразователей. [17] Двигатели Стирлинга были сочтены слишком ненадежными, несмотря на эффективность преобразования> 20%. [18] Однако, с недавними достижениями в области ФЭ с малой шириной запрещенной зоны, ТПВ становятся все более многообещающими. Был продемонстрирован радиоизотопный преобразователь TPV с КПД 20%, в котором используется вольфрамовый эмиттер, нагретый до 1350 K, с тандемными фильтрами и фотоэлектрическим преобразователем InGaAs с шириной запрещенной зоны 0,6 эВ (охлаждаемым до комнатной температуры). Около 30% потерянной энергии приходилось на оптический резонатор и фильтры. Остальное было связано с КПД фотоэлектрического преобразователя. [18]
Низкотемпературная работа преобразователя имеет решающее значение для КПД TPV. Нагревательные фотоэлектрические преобразователи увеличивают темновой ток, тем самым снижая эффективность. Преобразователь нагревается излучением эмиттера. В наземных системах это тепло целесообразно отводить без использования дополнительной энергии с помощью радиатора . Однако пространство представляет собой изолированную систему, в которой радиаторы непрактичны. Поэтому очень важно разрабатывать инновационные решения для эффективного отвода тепла. Оба представляют собой серьезные проблемы. [17]
Коммерческие приложения
Автономные генераторы
TPV могут обеспечивать непрерывное электроснабжение автономных домов. Традиционные фотоэлектрические батареи не обеспечивают электроэнергию в зимние месяцы и в ночное время, в то время как ТПВ могут использовать альтернативные виды топлива для увеличения производства только на солнечной энергии.
Самым большим преимуществом генераторов TPV является когенерация тепла и электроэнергии. В холодном климате он может работать как обогреватель / плита и как генератор энергии. Компания JX Crystals разработала прототип нагревательной печи / генератора TPV, который сжигает природный газ и использует излучатель источника SiC, работающий при 1250 ° C, и фотоэлемент GaSb для выработки 25 000 БТЕ / час (7,3 кВт тепла), одновременно генерируя 100 Вт (эффективность 1,4%). Однако затраты делают это непрактичным.
Комбинация нагревателя и генератора называется комбинированной выработкой тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Многие сценарии ТЭЦ ТЭЦ были теоретизированы, но исследование показало, что генератор, использующий кипящий теплоноситель, был наиболее рентабельным. [19] Предлагаемая ТЭЦ будет использовать SiC ИК-излучатель, работающий при 1425 ° C, и фотоэлементы из GaSb, охлаждаемые кипящим хладагентом. ТЭЦ TPV будет производить 85 000 БТЕ / час (25 кВт тепла) и вырабатывать 1,5 кВт. Расчетный КПД составит 12,3% (?) (1,5 кВт / 25 кВт = 0,06 = 6%), что потребует инвестиций, или 0,08 евро / кВтч при условии срока службы 20 лет. Расчетная стоимость других ТЭЦ без 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, потому что рынок не считался достаточно большим.
Рекреационные автомобили
TPV были предложены для использования в транспортных средствах для отдыха. Их способность использовать несколько источников топлива делает их интересными по мере появления более экологически безопасных видов топлива. Бесшумная работа ТПВ позволяет им заменить шумные обычные генераторы (например, в «тихие часы» в кемпингах национальных парков). Однако температура эмиттера, необходимая для практической эффективности, делает маловероятным появление TPV в таком масштабе. [20]
Рекомендации
- ^ Poortmans, Джеф. "Веб-сайт IMEC: Фотоэлектрические батареи" . Архивировано из оригинала на 2007-10-13 . Проверено 17 февраля 2008 .
- ^ Сил, г-н "Веб-сайт WWU VRI: Viking 29 - термофотовольтаический гибридный автомобиль, разработанный и построенный в Университете Западного Вашингтона" . Архивировано из оригинала на 2011-01-27 . Проверено 12 ноября 2010 .
- ^ Страндберг, Руна (2015). «Теоретические пределы эффективности терморадиационного преобразования энергии». Журнал прикладной физики . 117 (5): 055105–055105.8. Bibcode : 2015JAP ... 117e5105S . DOI : 10.1063 / 1.4907392 . ЛВП : 11250/279289 .
- ^ Фрост, Рози (2020-07-02). « „ Технология панели солнечных батарей Reverse“ по- прежнему работает , когда солнце идет вниз» . Евроньюс .
- ^ Нельсон, RE (2003). «Краткая история развития термофотовольтаики». Полупроводниковая наука и технология . 18 (5): S141 – S143. Bibcode : 2003SeScT..18S.141N . DOI : 10.1088 / 0268-1242 / 18/5/301 .
- ^ Хорн Э. (2002). Гибридные термофотовольтаические энергосистемы. Заключительный отчет EDTEK Inc. для энергетической комиссии Калифорнии.
- ^ Битнар, Б. (2003). «Кремниевые, германиевые и кремниево-германиевые фотоэлементы для термофотоэлектрических применений» (PDF) . Полупроводниковая наука и технология . 18 (5): S221 – S227. Bibcode : 2003SeScT..18S.221B . DOI : 10.1088 / 0268-1242 / 18/5/312 .
- ↑ Малышев В.И. (1979). Введение в экспериментальную спектроскопию, Наука, Москва.
- ^ Lin, SY; Морено, Дж. И Флеминг, Дж. Г. (2003). «Трехмерный фотонно-кристаллический излучатель для теплового фотоэлектрического производства энергии» . Письма по прикладной физике . 83 (2): 380–382. Bibcode : 2003ApPhL..83..380L . DOI : 10.1063 / 1.1592614 .
- ^ а б Fraas, LM; Эйвери, Дж. Э .; Сундарам, ВС; Dinh, VT; Дэвенпорт, Т.М. и Йеркес, Дж. У. (1990). «Сборки многоярусных концентраторов на основе GaAs / GaSb с эффективностью более 35% для наземных приложений». Конференция IEEE по фотовольтаике . С. 190–195. DOI : 10,1109 / PVSC.1990.111616 . S2CID 120402666 .
- ^ Алгора, К. и Мартин, Д. (2003). «Моделирование и изготовление преобразователей GaSb TPV». Материалы конференции AIP . 653 : 452–461. Bibcode : 2003AIPC..653..452A . DOI : 10.1063 / 1.1539400 . Неизвестный параметр
|conference=
игнорируется ( справка ) - ^ а б Charache, GW; Egley, JL; Депой, DM; Danielson, LR; Фриман, MJ; Dziendziel, RJ; и другие. (1998). «Инфракрасные материалы для термофотоэлектрических применений». Журнал электронных материалов . 27 (9): 1038. Bibcode : 1998JEMat..27.1038C . DOI : 10.1007 / s11664-998-0160-х . S2CID 96361843 .
- ^ а б в Ван, Калифорния (2004). "Термофотоэлектрические материалы и устройства на основе сурьмы III-V". Материалы конференции AIP . 738 : 255–266. Bibcode : 2004AIPC..738..255W . DOI : 10.1063 / 1.1841902 . Неизвестный параметр
|conference=
игнорируется ( справка ) - ^ Карлина, ЛБ; Кулагина, ММ; Тимошина, Н.Х .; Власов, А.С., Андреев, В.М. (2007). «На 0,53 Ga 0,47 As / InP обычные и инвертированные термофотоэлектрические элементы с отражателем на задней поверхности». Материалы конференции AIP . 890 : 182–189. Bibcode : 2007AIPC..890..182K . DOI : 10.1063 / 1.2711735 . Неизвестный параметр
|conference=
игнорируется ( справка ) - ^ М. Ходр; М. Чакрабертти и П.Дж. Макканн (2019). «Материалы для квантовых ям PbSnSe / PbSrSe для термофотоэлектрических устройств» . AIP продвигается . 9 (3). 035303. Bibcode : 2019AIPA .... 9c5303K . DOI : 10.1063 / 1.5080444 .
- ^ Гуаццони, Г. и Мэтьюз, С. (2004). «Ретроспектива четырех десятилетий военного интереса к термофотоэлектрической энергии». Материалы конференции AIP . 738 : 3–12. Bibcode : 2004AIPC..738 .... 3G . DOI : 10.1063 / 1.1841874 . Неизвестный параметр
|conference=
игнорируется ( справка ) - ^ а б Теофило, ВЛ; Choong, P .; Chang, J .; Ценг, Ю.Л. и Эрмер, С. (2008). «Термофотоэлектрическое преобразование энергии в космосе». Журнал физической химии C . 112 (21): 7841–7845. DOI : 10.1021 / jp711315c .
- ^ а б Wilt, D .; Chubb, D .; Wolford, D .; Магари П. и Кроули К. (2007). «Термофотоэлектрические установки для космической энергетики». Материалы конференции AIP . 890 : 335–345. Bibcode : 2007AIPC..890..335W . DOI : 10.1063 / 1.2711751 . Неизвестный параметр
|conference=
игнорируется ( справка ) - ^ Palfinger, G .; Bitnar, B .; Durisch, W .; Мэр, JC; Грюцмахер Д. и Гобрехт Дж. (2003). «Смета электроэнергии, производимой TPV». Полупроводниковая наука и технология . 18 (5): S254 – S261. Bibcode : 2003SeScT..18S.254P . DOI : 10.1088 / 0268-1242 / 18/5/317 .
- ^ Coutts, TJ (1997). «Принципы, возможности и проблемы термофотоэлектрической энергии». Материалы конференции AIP . 404 : 217–234. Bibcode : 1997AIPC..404..217C . DOI : 10.1063 / 1.53449 .
Внешние ссылки
- 6-я Международная конференция по термофотоэлектрической генерации электроэнергии
- Обзор NRA технологии преобразования радиоизотопной энергии НАСА
- Новые термофотовольтаические материалы могут заменить генераторы в автомобилях и сэкономить топливо