Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 термофотоэлектрических системах практически нет движущихся частей , поэтому они бесшумны 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 излучателя.

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 пытаются объединить термофотоэлектрическую ячейку 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 [ править ]

Генри Kolm построил простейшую систему TPV в MIT в 1956 г. Тем не менее, Пьер Агреном широко цитируется в качестве изобретателя на основе содержания лекций он дал в MIT между 1960-1961 , который, в отличие от системы KOLM, во главе исследований и разработок. [5]

Фон [ править ]

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 [ править ]

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. Для наилучших разумных значений в практической системе Т- клетки ~ 300К и Т излучают ~ 1800, что дает максимальную эффективность ~ 83%. Этот предел устанавливает верхний предел эффективности системы. При КПД 83% вся тепловая энергия преобразуется излучателем в излучение, которое затем преобразуется фотоэлектрическим элементом в электрическую энергию без потерь, таких как термализация или джоулев нагрев . Максимальная эффективность предполагает отсутствие изменения энтропии, что возможно только в том случае, если эмиттер и ячейка имеют одинаковую температуру. Более точные модели довольно сложны.

Эмиттеры [ править ]

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 фотоэлектрической системы, может не эффективно преобразовываться (по причинам, обсужденным выше), что приводит к снижению эффективности. 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 [ править ]

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 [ править ]

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 заданным набором условий (материал излучателя, фильтр, рабочая температура ).

Геометрия [ править ]

В идеальной системе излучатель должен быть окружен преобразователями, поэтому свет не теряется. Однако на практике геометрия должна учитывать входную энергию (впрыск топлива или входной свет), используемую для нагрева излучателя. Кроме того, затраты не позволяют размещать преобразователи повсюду. 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 [ править ]

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 '- поток света 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 чрезвычайно мала при этих энергиях для излучателей при реальных температурах.

Выбор активных компонентов и материалов [ править ]

Эмиттеры [ править ]

Эффективность, термостойкость и стоимость - три основных фактора при выборе радиатора TPV. Эффективность определяется поглощенной энергией по отношению к общему входящему излучению. Работа при высоких температурах является решающим фактором, поскольку эффективность увеличивается с увеличением рабочей температуры. По мере увеличения температуры эмиттера излучение черного тела смещается в сторону более коротких волн, что обеспечивает более эффективное поглощение фотогальваническими элементами. Стоимость - еще одна серьезная проблема коммерциализации.

Карбид кремния поликристаллический [ править ]

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. Это 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, производство поликристаллического SiC дешево.

Вольфрам [ править ]

Тугоплавкие металлы могут быть использованы в качестве селективных излучателей для горелочных ТПВ. Вольфрам - самый распространенный выбор. 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 [ править ]

Оксиды редкоземельных элементов, такие как оксид иттербия (Yb 2 O 3 ) и оксид эрбия (Er 2 O 3 ), являются наиболее часто используемыми селективными излучателями для TPV. Эти оксиды излучают узкую полосу длин волн в ближней инфракрасной области, что позволяет адаптировать спектры излучения для лучшего соответствия характеристикам поглощения конкретной фотоэлектрической ячейки. 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 Si фотоэлементов и Er 2 O 3., для GaSb или InGaAs. Однако небольшое несоответствие между пиками излучения и шириной запрещенной зоны поглотителя приводит к значительной потере эффективности. Избирательное излучение становится значительным только при 1100 ° C и увеличивается с температурой в соответствии с законом Планка. При рабочих температурах ниже 1700 ° C селективная эмиссия оксидов редкоземельных элементов довольно низкая, что приводит к дальнейшему снижению эффективности. 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 [ править ]

Фотонные кристаллы - это класс периодических материалов, которые позволяют точно контролировать свойства электромагнитных волн. Эти материалы вызывают фотонную запрещенную зону.(ПБГ). В спектральном диапазоне PBG электромагнитные волны распространяться не могут. Конструкция этих материалов позволяет изменять их излучательные и абсорбционные свойства, что позволяет создавать более эффективные селективные излучатели. 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 [ править ]

Кремний [ править ]

Ранние работы в TPV были сосредоточены на использовании Si PV. Коммерческая доступность кремния, чрезвычайно низкая стоимость, масштабируемость и простота производства 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 с использованием закона Планка, который описывает спектр черного тела как функцию температуры, показывают, что кремниевые ФЭ 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 [ править ]

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 чрезвычайно 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 чрезвычайно сложной.

Антимонид галлия [ править ]

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 Чохральским Te, коммерчески доступны. Диффузия Zn 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 по току оценивается в ~ 20% с использованием спектра черного тела 1000 ° C. [11] Радиационный предел эффективности ячейки GaSb в этой установке составляет 52%, поэтому все еще можно сделать значительные улучшения.

Антимонид арсенида индия-галлия [ править ]

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 методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) ижидкофазная эпитаксия (ЖФЭ). 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 [ править ]

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. n имеет то преимущество, что он хорошо проработан. 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 [ править ]

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 системы TPV с такой малой шириной 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] Хотя это многообещающий материал, его еще предстоит разработать. 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 селенид стронция квантовые ямы [ править ]

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 [ править ]

TPV обещают эффективные и экономически жизнеспособные системы энергоснабжения 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 TPV более сложны, и потери на каждом этапе преобразования энергии могут снизить эффективность. Необходимо усовершенствовать поглотитель / эмиттер и фотоэлектрическую ячейку. Когда TPV используются с источником горелки, они выдают энергию по запросу. В результате не требуется накопление энергии. Кроме того, из-за близости фотоэлектрического элемента к источнику излучения TPV могут генерировать плотность тока в 300 раз больше, чем обычные фотоэлектрические модули.

Портативная энергия [ править ]

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.

Ранние исследования TPV в 1970-х годах потерпели неудачу из-за ограничений PV. Однако с появлением фотоэлемента на основе GaSb возобновленные усилия в 1990-х годах улучшили результаты. В начале 2001 года JX Crystals поставила в армию зарядное устройство на базе TPV, которое с пропаном выдавало мощность 230 Вт . 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. Для повышения эффективности необходимо реализовать узкополосные излучатели и повысить температуру горелки. Должны быть реализованы дополнительные этапы управления температурным режимом, такие как водяное охлаждение или кипячение охлаждающей жидкости. Несмотря на то, что было продемонстрировано много успешных прототипов, подтверждающих концепцию, портативные источники питания TPV еще не прошли испытания в войсках или не были внедрены на поле боя.

Космический корабль [ править ]

Для космических путешествий системы выработки электроэнергии должны обеспечивать стабильную и надежную подачу энергии без большого количества топлива. В результате солнечное и радиоизотопное топливо (чрезвычайно высокая плотность мощности и длительный срок службы) являются идеальными источниками энергии. 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 из-за соображений веса и неэффективности, связанных с несколько более сложной конструкцией TPV, обычные PV почти наверняка будут более эффективными для этих приложений.

Вероятно, более интересна перспектива использования ТПВ для преобразования энергии радиоизотопов. Выход изотопов - это тепловая энергия. В прошлом использовалось термоэлектричество (прямое преобразование тепла в электрическое без движущихся частей), поскольку КПД ТПВ меньше, чем ~ 10% термоэлектрических преобразователей. [17] Двигатели Стирлинга также рассматривались, но сталкиваются с проблемами надежности, которые неприемлемы для космических полетов, несмотря на повышенную эффективность преобразования (> 20%). [18]Однако с недавними достижениями в области PV с малой шириной запрещенной зоны TPV становятся более многообещающими кандидатами. 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. Следовательно, крайне важно разработать инновационные решения для эффективного отвода тепла или оптимизированные ячейки TPV, которые могут эффективно работать с преобразователями с более высокой температурой. Оба представляют собой серьезные проблемы. Несмотря на это, TPV открывают большие перспективы для использования в космических приложениях будущего. [17]

Коммерческие приложения [ править ]

Автономные генераторы [ править ]

Многие дома расположены в отдаленных регионах, не подключенных к электросети. Там, где это возможно, удлинение линий электропередач может быть непрактичным. TPV могут обеспечивать непрерывное электроснабжение в домах, не подключенных к электросети. С другой стороны, традиционные фотоэлектрические станции не будут обеспечивать достаточной мощности 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 или плита, так и как генератор энергии. Компания JX Crystals разработала прототип нагревательной печи и генератора TPV. Он сжигает природный газ и использует эмиттер SiC, работающий при 1250 ° C, и фотоэлемент из GaSb для выработки 25 000 БТЕ / ч (7,3 кВт тепла), одновременно генерируя 100 Вт (эффективность 1,4%). Однако для того, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, необходимо значительно снизить затраты.

Когда печь используется в качестве нагревателя и генератора, это называется комбинированным производством тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Было выдвинуто множество сценариев ТЭЦ с ТПВ, но генератор, использующий кипящий теплоноситель, был признан наиболее экономически эффективным. [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%), а инвестиции составят 0,08 евро / кВтч при условии, что срок службы печи ТЭЦ составляет 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. Предлагаемая печь не была реализована на коммерческой основе, потому что рынок не считался достаточно большим.

Рекреационные транспортные средства [ править ]

TPV были предложены для использования в транспортных средствах для отдыха. С появлением гибридных и других транспортных средств с электрическим приводом генераторы с электрическими выходами стали более интересными. В частности, универсальность TPV для выбора топлива и возможность использовать несколько источников топлива делает их интересными, поскольку появляется все больше и больше видов топлива с большей экологичностью. Бесшумная работа TPV позволяет производить электроэнергию тогда и там, где использование шумных обычных генераторов не разрешено (например, в «тихие часы» в кемпингах национальных парков), и не беспокоит окружающих. Однако температура эмиттера, необходимая для практической эффективности, делает маловероятным появление TPV в таком масштабе. [20]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Poortmans, Джеф. "Веб-сайт IMEC: Фотоэлектрические батареи" . Архивировано из оригинала на 2007-10-13 . Проверено 17 февраля 2008 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ Strandberg, руна (2015). «Теоретические пределы эффективности терморадиационного преобразования энергии». Журнал прикладной физики . 117 (5): 055105–055105.8. Bibcode : 2015JAP ... 117e5105S . DOI : 10.1063 / 1.4907392 .
  4. ^ Фрост, Рози (2020-07-02). « „ Технология панели солнечных батарей Reverse“ по- прежнему работает , когда солнце идет вниз» . Евроньюс .
  5. Перейти ↑ Nelson, 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 .
  6. ^ Хорн Э. (2002). Гибридные термофотовольтаические энергосистемы. Заключительный отчет EDTEK Inc. для энергетической комиссии Калифорнии.
  7. ^ Bitnar, B. (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 .
  8. ↑ Малышев В.И. (1979). Введение в экспериментальную спектроскопию, Наука, Москва.
  9. ^ Лин, 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 .
  10. ^ a b 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 . 
  11. ^ Algora, C. & Martin, D. (2003). «Моделирование и изготовление преобразователей GaSb TPV». Материалы конференции AIP . 653 : 452–461. Bibcode : 2003AIPC..653..452A . DOI : 10.1063 / 1.1539400 .
  12. ^ a b 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 . 
  13. ^ a b c 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 .
  14. ^ Карлина, LB; 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ Guazzoni, G. & Matthews, S. (2004). «Ретроспектива четырех десятилетий военного интереса к термофотоэлектрической энергии». Материалы конференции AIP . 738 : 3–12. Bibcode : 2004AIPC..738 .... 3G . DOI : 10.1063 / 1.1841874 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ a b Уилт, 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 [ править ]

  • 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