Крошечный тепловой двигатель без движущихся частей достиг невероятного энергетического рубежа

Ученые надеются, что твердотельные термофотоэлектрические элементы (ТФЭ) без движущихся частей смогут достичь более высокой эффективности при более высоких температурах, когда речь идет о преобразовании тепла в электричество — и проложить путь к электросетям, полностью основанным на возобновляемых источниках энергии.

Один из таких TPV-элементов установил новый мировой рекорд эффективности — 40 процентов, сообщают исследователи. Это лучше, чем у паровых турбин, традиционно используемых для преобразования тепла в электричество, которые обычно достигают 35% и имеют верхний температурный предел.

ТПВ преобразуют высокоэнергетические фотоны из раскаленных источников тепла в электричество. В сочетании с тепловыми батареями они могут улавливать энергию Солнца и хранить ее, высвобождая электричество по мере необходимости.

"Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на обслуживание, потому что у них нет движущихся частей", — говорит инженер-механик Асегун Генри из Массачусетского технологического института (MIT).

"Они просто сидят там и надежно генерируют электричество".

Термофотоэлектрический элемент, участвующий в рекордном преобразовании, может вырабатывать электричество из источников тепла при температуре от 1900 до 2400 градусов Цельсия (3452-4352 градусов по Фаренгейту). Эти температуры слишком высоки для работы обычных паровых турбин из-за наличия подвижных частей.

Теперь эффективность этих элементов также растет, что делает их более жизнеспособными. Предыдущий рекорд составлял 32 процента, в то время как большинство ячеек TPV, произведенных на сегодняшний день, имеют КПД около 20 процентов.

Рекорд эффективности был измерен с помощью датчика теплового потока для измерения тепла, поглощаемого ячейкой размером около сантиметра в квадрате. Высокотемпературная лампа использовалась для изменения количества тепла, которому подвергалась ячейка, что показало, что она действительно подходит для установки в более крупную систему.

"Мы можем получить высокую эффективность в широком диапазоне температур, характерном для тепловых батарей", — говорит Генри.

Повышение эффективности в основном связано с используемыми материалами, которые имеют так называемую низкую полосу пропускания — зазор, через который должны пройти электроны для выработки электричества. В данном случае исследователи использовали материалы с более высокой пропускной способностью, а также несколько стыков (или слоев материала).

Используются три слоя: сплав с высокой пропускной способностью для улавливания высокоэнергетических фотонов и превращения их в электричество, сплав с низкой пропускной способностью для улавливания низкоэнергетических фотонов, проскользнувших через первый слой, и золотое зеркало для отражения фотонов, прошедших весь путь, обратно к источнику тепла, что позволяет минимизировать потери тепла.

Доказав работоспособность, надежность и эффективность термофотоэлектрического элемента, ученые могут приступить к работе по его расширению и комбинированию с другими элементами для создания полноценной системы производства энергии — причем такой, которая не производит углерода в процессе использования.

"Термофотоэлектрические элементы были последним ключевым шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией", — говорит Генри. "Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью декарбонизированной энергосистеме".

Исследование было опубликовано в журнале Nature.