Termofotovoltaika - Thermophotovoltaic - Wikipedia

Termofotovoltaika (TPV) přeměna energie je proces přímé přeměny z tepla na elektřina přes fotony. Základní termofotovoltaický systém se skládá z a tepelný emitor a a fotovoltaické dioda buňka.

The teplota tepelného emitoru kolísá mezi různými systémy od přibližně 900 ° C do přibližně 1300 ° C, i když v zásadě mohou zařízení TPV extrahovat energii z libovolného vysílače s teplotou zvýšenou nad teplotu fotovoltaického zařízení (tvořící optický tepelný motor ). Vysílačem může být kus pevného materiálu nebo speciálně konstruovaná konstrukce. Tepelná emise je spontánní emise fotonů v důsledku tepelného pohybu nábojů v materiálu. U těchto teplot TPV je toto záření většinou na blízko infračerveného a infračervený frekvence. Fotovoltaické diody absorbují některé z těchto vyzařovaných fotonů a přeměňují je na elektřinu.

Termofotovoltaické systémy mají málo až žádné pohyblivé části a proto jsou tiché a vyžadují malou údržbu. Díky těmto vlastnostem jsou termofotovoltaické systémy vhodné pro vzdálená místa a přenosné aplikace na výrobu elektřiny. Jejich účinnost -náklady vlastnosti jsou však často špatné ve srovnání s jinými technologiemi na výrobu elektřiny. Současný výzkum v této oblasti se zaměřuje na zvýšení efektivity systému při zachování nízkých nákladů na systém.

Systémy TPV se obvykle pokoušejí přizpůsobit optické vlastnosti tepelné emise (vlnová délka, polarizace, směr) s nejúčinnějšími absorpčními charakteristikami fotovoltaického článku, protože nepřeměněná tepelná emise je hlavním zdrojem neúčinnosti. Většina skupin se zaměřuje na antimonid galia (GaSb) buňky. Germanium (Ge) je také vhodný.^[1] Hodně výzkumu a vývoje se týká metod řízení vlastností vysílače.

Články TPV byly navrženy jako pomocná zařízení pro přeměnu energie pro zachycení jinak ztraceného tepla v jiných systémech výroby energie, jako jsou systémy parních turbín nebo solární články.

Byl vyroben prototyp hybridního automobilu TPV, „Viking 29“^[2] (TPV) poháněný automobil, navržený a vyrobený Ústavem pro výzkum vozidel (VRI) v Západní Washington University.

Výzkum TPV je aktivní oblastí. Mimo jiné University of Houston Snaha o vývoj technologie radioizotopové přeměny energie TPV se pokouší kombinovat termofotovoltaický článek s termočlánky poskytnout 3 až 4násobné zlepšení účinnosti systému oproti proudu radioizotopové termoelektrické generátory.

Panely lze také vyrobit pomocí termoradiačních článků. V roce 2020 profesor Jeremy Munday vymyslel panely, které by umožnily sklizeň elektřiny z noční oblohy. Panely by byly schopny generovat až 50 wattů energie na metr čtvereční, což je čtvrtina toho, co mohou běžné panely generovat ve dne.^[3][4]

Dějiny

Henry Kolm zkonstruoval základní systém TPV v MIT v roce 1956. Nicméně Pierre Aigrain je široce citován jako vynálezce na základě obsahu přednášek, které přednesl na MIT v letech 1960–1961 a které na rozdíl od Kolmova systému vedly k výzkumu a vývoji.^[5]

Pozadí

Termofotovoltaika (TPV) je třída systémů na výrobu energie, které přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii. Skládají se minimálně z vysílače a fotovoltaického měniče. Většina systémů TPV zahrnuje další komponenty, jako jsou koncentrátory, filtry a reflektory.

Základní princip je podobný principu tradiční fotovoltaiky (PV), kde a p-n křižovatka se používá k absorpci optická energie, generovat a oddělit páry elektronů / děr a přitom přeměnit tuto energii na elektřinu. Rozdíl je v tom, že optická energie není přímo generována Sluncem, ale materiálem o vysoké teplotě (nazývaným emitor), který způsobuje, že vyzařuje světlo. Tímto způsobem se tepelná energie přeměňuje na elektrickou energii.

Emitor může být ohříván slunečním světlem nebo jinými technikami. V tomto smyslu poskytují TPV velkou variabilitu potenciálních paliv. V případě solárních TPV jsou zapotřebí velké koncentrátory, které zajistí přiměřenou teplotu pro efektivní provoz.

Vylepšení mohou využívat výhody filtrů nebo selektivních zářičů k vytváření emisí v rozsahu vlnových délek, který je optimalizován pro konkrétní fotovoltaický (PV) převodník. Tímto způsobem mohou TPV překonat zásadní výzvu pro tradiční fotovoltaické elektrárny a efektivně využívat celé solární spektrum. Pro černé tělo zářiče, fotony s energií menší než bandgap převaděče nelze absorbovat a jsou buď odraženy a ztraceny, nebo procházejí buňkou. Fotony s energií nad pásmem mohou být absorbovány, ale přebytečná energie, ${ displaystyle Delta G = E_ {foton} -E_ {g}}$, je opět ztracen, což generuje v buňce nežádoucí zahřívání. V případě TPV mohou existovat podobné problémy, ale ke generování emisních spekter lze použít buď selektivní zářiče (emisivitu v určitém rozsahu vlnových délek), nebo optické filtry, které procházejí pouze úzkým rozsahem vlnových délek a odrážejí všechny ostatní. které lze FV zařízením optimálně převést.

Aby se maximalizovala účinnost, měly by být všechny fotony převedeny. K tomu lze použít proces často nazývaný recyklace fotonů. Reflektory jsou umístěny za převodníkem a kdekoli jinde v systému, kde nemusí být fotony účinně směrovány do kolektoru. Tyto fotony jsou směrovány zpět do koncentrátoru, kde je lze převést, nebo zpět do emitoru, kde je lze reabsorbovat za vzniku tepla a dalších fotonů. Optimální systém TPV by používal recyklaci fotonů a selektivní emise k přeměně všech fotonů na elektřinu.

Účinnost

Horní mez účinnosti v TPV (a ve všech systémech, které přeměňují tepelnou energii na práci) je Carnotova účinnost, to je ideální tepelný motor. Tato účinnost je dána:

${ displaystyle eta = 1 - { frac {T_ {buňka}} {T_ {emit}}}}$

kde T_buňka je teplota FV převodníku. Pro nejlepší rozumné hodnoty v praktickém systému T_buňka~ 300 tis. A T._vysílat~ 1800, což poskytuje maximální účinnost ~ 83%. Tento limit nastavuje horní limit pro účinnost systému. S 83% účinností je veškerá tepelná energie přeměněna na záření emitorem, který je pak přeměněn FV na elektrickou energii bez ztrát, jako je termalizace nebo Joule topení. Maximální účinnost nepředpokládá žádnou změnu entropie, což je možné pouze v případě, že emitor a článek mají stejnou teplotu. Přesnější modely jsou poměrně komplikované.

Vysílače

Odchylky od dokonalé absorpce a dokonalého chování černého těla vedou ke ztrátám světla. U selektivních zářičů nemusí být jakékoli světlo vyzařované na vlnových délkách neodpovídajících energii pásma fotovoltaiky účinně konvertováno (z důvodů diskutovaných výše) a vede ke snížení účinnosti. Zejména emise spojené s telefon rezonancím je obtížné se vyhnout pro vlnové délky v hluboké infračervené oblasti, které nelze prakticky převést. Ideální zářiče neprodukují žádné infračervené záření.

Filtry

U zářičů s černým tělesem nebo nedokonalých selektivních zářičů odrážejí filtry neideální vlnové délky zpět do vysílače. Tyto filtry jsou nedokonalé. Veškeré světlo, které je absorbováno nebo rozptýleno a není přesměrováno na emitor nebo převodník, je ztraceno, obvykle jako teplo. Naopak praktické filtry často odrážejí malé procento světla v požadovaném rozsahu vlnových délek. Oba jsou neefektivní.

Převaděče

Dokonce i pro systémy, kde do převaděče prochází pouze světlo s optimální vlnovou délkou, jsou neefektivnosti spojené s neradiační rekombinací a ohmické ztráty existovat. Protože tyto ztráty mohou záviset na intenzitě světla dopadající na buňku, musí reálné systémy brát v úvahu intenzitu produkovanou danou sadou podmínek (emitorový materiál, filtr, Provozní teplota ).

Geometrie

V ideálním systému by byl emitor obklopen převaděči, takže se neztratí žádné světlo. Realisticky však musí geometrie pojmout vstupní energii (vstřikování paliva nebo vstupní světlo) použitou k ohřevu emitoru. Náklady navíc zakazují umístění převodníků všude. Když vysílač znovu vyzařuje světlo, ztratí se vše, co se nedostane k měničům. Zrcadla lze použít k přesměrování části tohoto světla zpět na emitor; zrcadla však mohou mít své vlastní ztráty.

Radiace černého těla

U zářičů s černým tělesem, kde se recirkulace fotonů dosahuje pomocí filtrů, Planckův zákon uvádí, že černé těleso vyzařuje světlo se spektrem daným:

${ displaystyle I '( lambda, T) = { frac {2hc ^ {2}} { lambda ^ {5}}} { frac {1} {e ^ { frac {hc} { lambda kT }} - 1}}}$

kde I 'je tok světla specifické vlnové délky λ, udávaný v jednotkách 1 / m³/ s. jeho Planckova konstanta, k je Boltzmannova konstanta, c je rychlost světla a T_vysílat je teplota emitoru. Světelný tok s vlnovými délkami ve specifickém rozsahu lze tedy najít integrací přes tento rozsah. Vrcholová vlnová délka je určena teplotou T_vysílat na základě Vídeňský zákon o vysídlení:

${ displaystyle lambda _ { mathrm {max}} = { frac {b} {T}}}$

kde b je vídeňská posunovací konstanta. U většiny materiálů je maximální teplota, kterou může emitor stabilně pracovat, přibližně 1 800 ° C. To odpovídá intenzitě, která vrcholí při λ ~ 1600 nm nebo energii ~ 0,75 eV. Při rozumnějších provozních teplotách 1200 ° C to poklesne na ~ 0,5 eV. Tyto energie diktují rozsah bandgaps, které jsou potřebné pro praktické převaděče TPV (i když špičkový spektrální výkon je o něco vyšší). Tradiční fotovoltaické materiály, jako je Si (1,1 eV) a GaAs (1,4 eV), jsou pro systémy TPV podstatně méně praktické, protože intenzita spektra černého tělesa je u těchto energií extrémně nízká pro emitory při realistických teplotách.

Výběr aktivních komponent a materiálů

Vysílače

Efektivita, teplotní odolnost a cena jsou tři hlavní faktory pro výběr radiátoru TPV. Účinnost je určena absorbovanou energií vzhledem k celkovému přicházejícímu záření. Vysokoteplotní provoz je rozhodujícím faktorem, protože účinnost se zvyšuje s provozní teplotou. Jak teplota emitoru stoupá, záření černého tělesa se posune na kratší vlnové délky, což umožňuje účinnější absorpci fotovoltaickými články. Náklady jsou dalším významným problémem komercializace.

Polykrystalický karbid křemíku

Polykrystalický karbid křemíku (SiC) je nejčastěji používaný emitor pro TPV hořáku. SiC je tepelně stabilní do ~ 1700 ° C. SiC však vyzařuje velkou část své energie v režimu dlouhých vlnových délek, což je mnohem méně energie než ta nejužší fotovoltaická pásmo. Toto záření se nepřeměňuje na elektrickou energii. Neabsorpční selektivní filtry před PV,^[6] nebo zrcadla uložená na zadní straně PV^[7] lze použít k odrážení dlouhých vlnových délek zpět do emitoru, čímž recykluje nepřeměněnou energii. Kromě toho je výroba polykrystalického SiC levná.

Wolfram

Žárovzdorné kovy lze použít jako selektivní zářiče pro TPV hořáků. Wolfram je nejčastější volbou. Má vyšší emisivitu ve viditelném a blízkém IR rozsahu 0,45 až 0,47 a nízkou emisivitu 0,1 až 0,2 v IR oblasti.^[8] Vysílač má obvykle tvar válce se zapečetěným dnem, který lze považovat za dutinu. Vysílač je připevněn k zadní straně tepelného absorbéru, jako je SiC, a udržuje stejnou teplotu. Emise se vyskytují ve viditelném a blízkém infračerveném rozsahu, který lze snadno převést PV na elektrickou energii.

Oxidy vzácných zemin

Oxidy vzácných zemin, jako např yterbium oxid (Yb₂Ó₃) a erbium oxid (Er₂Ó₃) jsou nejčastěji používanými selektivními zářiči pro TPV. Tyto oxidy vyzařují úzké pásmo vlnových délek v oblasti blízké infračervené oblasti, což umožňuje přizpůsobení emisních spekter tak, aby lépe odpovídaly absorpčním charakteristikám konkrétního FV článku. Vrchol emisního spektra se pro Yb vyskytuje při 1,29 eV₂Ó₃ a 0,827 eV pro Er₂Ó₃. Ve výsledku Yb₂Ó₃ lze použít selektivní emitor pro Si PV články a Er₂Ó₃, pro GaSb nebo InGaAs. Mírný nesoulad mezi emisními špičkami a mezerou pásma absorbéru však vede k významné ztrátě účinnosti. Selektivní emise se podle Planckova zákona stávají významnými až při 1100 ° C a zvyšují se s teplotou. Při provozních teplotách pod 1700 ° C je selektivní emise oxidů vzácných zemin poměrně nízká, což má za následek další snížení účinnosti. V současné době bylo u Yb dosaženo 13% účinnosti₂Ó₃ a křemíkové PV články. Obecně měli selektivní emitenti omezený úspěch. Filtry se častěji používají u zářičů s černým tělesem k předávání vlnových délek přizpůsobených pásmu PV a odrážejí neodpovídající vlnové délky zpět do vysílače.

Fotonické krystaly

Fotonické krystaly jsou třídou periodických materiálů, které umožňují přesnou kontrolu vlastností elektromagnetických vln. Tyto materiály vedou k fotonická bandgap (PBG). Ve spektrálním rozsahu PBG se elektromagnetické vlny nemohou šířit. Inženýrství těchto materiálů umožňuje určitou schopnost přizpůsobit jejich emisní a absorpční vlastnosti, což umožňuje efektivnější návrh selektivních zářičů. Selektivní zářiče s vrcholy při vyšší energii než vrchol černého tělesa (pro praktické teploty TPV) umožňují širší převaděče pásma. Tyto převaděče jsou tradičně levnější na výrobu a méně citlivé na teplotu. Vědci z laboratoří Sandia Labs prokázali vysoce efektivní (34% světla vyzařovaného ze selektivního emitoru PBG lze převést na elektřinu) emitor TPV s použitím wolframových fotonických krystalů.^[9] Výroba těchto zařízení je však obtížná a komerčně neproveditelná.

Fotovoltaické články

Křemík

Počáteční práce v TPV se zaměřily na použití Si PV. Komerční dostupnost společnosti Silicon, extrémně nízké náklady, škálovatelnost a snadná výroba činí z tohoto materiálu přitažlivého kandidáta. Relativně široká pásma Si (1,1 eV) však není ideální pro použití s ​​emitorem černého tělesa při nižších provozních teplotách. Výpočty využívající Planckův zákon, který popisuje spektrum černého tělesa jako funkci teploty, ukazují, že Si PV by byly proveditelné pouze při teplotách mnohem vyšších než 2 000 K. Nebyl prokázán žádný zářič, který by při těchto teplotách mohl fungovat. Tyto technické obtíže vedly k hledání polovodičových PV s nízkým pásmem.

Použití selektivních radiátorů se Si PV je stále možné. Selektivní radiátory by eliminovaly fotony s vysokou a nízkou energií a snižovaly by vznikající teplo. V ideálním případě by selektivní zářiče nevyzařovaly žádné záření za hranu pásma FV převodníku, což by výrazně zvýšilo účinnost přeměny. Pomocí Si PV nebyly realizovány žádné efektivní TPV.

Germanium

Včasné vyšetřování polovodičů s nízkou propustností se zaměřilo na germanium (Ge). Ge má bandgap 0,66 eV, což umožňuje konverzi mnohem vyššího podílu přicházejícího záření. Slabý výkon však byl pozorován kvůli extrémně vysokému efektivní elektronová hmotnost Ge. Ve srovnání s Polovodiče III-V „Vysoká elektronově efektivní hmotnost Ge vede k vysoké hustotě stavů ve vodivém pásmu, a proto k vysoké koncentraci vnitřního nosiče. Ve výsledku Ge diody mají rychle se rozpadající „temný“ proud, a proto mají nízké napětí naprázdno. Kromě toho se povrchová pasivace germania ukázala jako mimořádně obtížná.

Antimonid galia

The antimonid galia (GaSb) FV článek, vynalezený v roce 1989,^[10] je základem většiny FV článků v moderních systémech TPV. GaSb je polovodič III-V s směs zinku Krystalická struktura. Buňka GaSb je klíčovým vývojem díky úzkému pásmu 0,72 eV. To umožňuje GaSb reagovat na světlo při delších vlnových délkách než křemíkový solární článek, což umožňuje vyšší hustotu energie ve spojení se zdroji emisí vytvořenými člověkem. Solární článek s 35% účinností byl demonstrován pomocí dvouvrstvého PV s GaAs a GaSb,^[10] nastavení účinnost solárních článků záznam.

Výroba GaSb FV článku je poměrně jednoduchá. Czochralski Te-dopované GaSb destičky typu N jsou komerčně dostupné. Difúze Zn na bázi páry se provádí při zvýšených teplotách ~ 450 ° C, což umožňuje doping typu p. Přední a zadní elektrické kontakty jsou vzorovány pomocí tradičních fotolitografických technik a je nanesen antireflexní povlak. Účinnost proudu se odhaduje na ~ 20% při použití spektra černého tělesa o teplotě 1000 ° C.^[11] Radiační limit pro účinnost buňky GaSb v tomto nastavení je 52%, takže stále lze provést obrovská vylepšení.

Antimonid arsenidu india galia

Antimonid arsenidu india galia (InGaAsSb) je sloučenina Polovodič III-V. (V_XGa_{1 − x}Tak jako_ySb_1-y) Přidání GaAs umožňuje užší bandgap (0,5 až 0,6 eV), a proto lepší absorpci dlouhých vlnových délek. Konkrétně byla bandgap navržena na 0,55 eV. S touto bandgap dosáhla sloučenina fotonem vážené vnitřní kvantové účinnosti 79% s faktorem naplnění 65% pro černé tělo při 1100 ° C.^[12] To bylo pro zařízení pěstované na substrátu GaSb od organokovová epitaxe v plynné fázi (OMVPE). Zařízení byla vypěstována epitaxe molekulárního paprsku (MBE) a epitaxe v kapalné fázi (LPE). Interní kvantová účinnost (IQE) těchto zařízení se blíží 90%, zatímco zařízení pěstovaná dalšími dvěma technikami přesahují 95%.^[13] Největším problémem buněk InGaAsSb je fázová separace. Kompoziční nekonzistence v celém zařízení snižují jeho výkon. Když je možné se vyhnout fázové separaci, IQE a faktor naplnění InGaAsSb se blíží teoretickým limitům v rozsahu vlnových délek poblíž energie pásma. Nicméně, V_oc/E_G poměr není zdaleka ideální.^[13] Současné způsoby výroby PV InGaAsSb jsou drahé a komerčně neproveditelné.

Arsenid india galia

Arsenid india galia (InGaAs) je sloučenina III-V polovodič. Pro použití v TPV jej lze použít dvěma způsoby. Když je mřížková shoda s substrátem InP, InGaAs má bandgap 0,74 eV, ne lepší než GaSb. Zařízení této konfigurace byla vyrobena s faktorem naplnění 69% a účinností 15%.^[14] Aby se však absorbovaly fotony vyšších vlnových délek, může být bandgap vytvořen změnou poměru In k Ga. Rozsah bandgapů pro tento systém je od asi 0,4 do 1,4 eV. Tyto různé struktury však způsobují napětí u substrátu InP. To lze ovládat odstupňovanými vrstvami InGaAs s různým složením. To bylo provedeno pro vývoj zařízení s kvantovou účinností 68% a faktorem naplnění 68%, pěstovaným MBE.^[12] Toto zařízení mělo bandgap 0,55 eV, dosažené ve sloučenině In_0.68Ga_0.33Tak jako. n má tu výhodu, že je dobře vyvinutým materiálem. InGaAs lze dokonale přizpůsobit mřížce s Ge, což vede k nízké hustotě defektů. Ge jako substrát je významná výhoda oproti dražším nebo obtížněji vyrobitelným substrátům.

Antimonid fosfidu india arsenidu

Kvartérní slitina InPAsSb byla pěstována jak OMVPE, tak LPE. Pokud je mřížková shoda s InAs, má pásmovou propust v rozmezí 0,3–0,55 eV. Výhody systému TPV s tak malou mezerou v pásmu nebyly podrobně studovány. Proto buňky obsahující InPAsSb nebyly optimalizovány a dosud nemají konkurenční výkon. Nejdelší spektrální odezva ze studované buňky InPAsSb byla 4,3 μm s maximální odezvou při 3 μm.^[13] I když se jedná o slibný materiál, musí být ještě vyvinut. U tohoto a dalších materiálů s malou šířkou pásma je těžké dosáhnout vysokého IQE pro dlouhé vlnové délky kvůli zvýšení Šneková rekombinace.

Olověný cín selenid / olovo stroncium selenid kvantové jamky

Pro nízkonákladovou výrobu zařízení TPV byly navrženy kvantové materiály PbSnSe / PbSrSe, které lze pěstovat MBE na křemíkových substrátech.^[15] Tyto polovodičové materiály IV-VI mohou mít mezery mezi 0,3 a 0,6 eV. Jejich symetrická struktura pásu a nedostatek degenerace valenčního pásma má za následek nízké Augerovy rekombinace, obvykle více než o řád menší než u srovnatelných polovodičových materiálů bandgap III-V.

Aplikace

TPV slibují efektivní a ekonomicky životaschopné energetické systémy pro vojenské i komerční aplikace. Ve srovnání s tradičními neobnovitelnými zdroji energie mají hořáky TPV málo NE_X emise a jsou prakticky tiché. Solární TPV jsou zdrojem obnovitelné energie bez emisí. TPV mohou být efektivnější než fotovoltaické systémy díky recyklaci neabsorbovaných fotonů. TPV jsou však složitější a ztráty v každém kroku přeměny energie mohou snížit účinnost. Je třeba provést další vývoj v oblasti absorbéru / emitoru a FV článku. Pokud se TPV používají se zdrojem hořáku, poskytují energii na vyžádání. Výsledkem je, že skladování energie není nutné. Navíc díky blízkosti PV k radiačnímu zdroji mohou TPV generovat proudovou hustotu 300krát větší než u běžných PV.

Člověk přenosný výkon

Dynamika bojiště vyžaduje přenosné napájení. Konvenční dieselové generátory jsou pro použití v terénu příliš těžké. Škálovatelnost umožňuje, aby byly TPV menší a lehčí než běžné generátory. Také TPV mají málo emisí a jsou tiché. Provoz na více paliv je další potenciální výhodou.

Rané vyšetřování TPV v 70. letech selhaly kvůli omezením PV. S realizací fotobuňky GaSb však obnovené úsilí v 90. letech zlepšilo výsledky. Na začátku roku 2001 dodala společnost JX Crystals armádě nabíječku baterií založenou na TPV, která měla výkon 230 W. propan. Tento prototyp využíval vysílač SiC pracující při 1250 ° C a fotobuňky GaSb a byl vysoký přibližně 0,5 m.^[16] Energetický zdroj měl účinnost 2,5%, počítáno z poměru generované energie k tepelné energii spalovaného paliva. To je příliš nízké pro praktické použití na bojišti. Pro zvýšení účinnosti je nutné realizovat úzkopásmové zářiče a zvýšit teplotu hořáku. Musí být provedeny další kroky tepelného managementu, jako je vodní chlazení nebo vaření chladicí kapaliny. Ačkoli bylo předvedeno mnoho úspěšných prototypů proof-of-concept, žádné přenosné zdroje energie TPV nedosáhly testování vojsk ani implementace bojiště.

Kosmická loď

U vesmírného cestování musí systémy pro výrobu energie poskytovat konzistentní a spolehlivý výkon bez velkého množství paliva. Výsledkem je, že solární a radioizotop paliva (extrémně vysoká hustota energie a dlouhá životnost) jsou ideálním zdrojem energie. Pro každou byla navržena TPV. V případě sluneční energie mohou být orbitální kosmické lodě lepšími místy pro velké a potenciálně těžkopádné koncentrátory potřebné pro praktické TPV. Kvůli zvážení hmotnosti a neefektivnosti spojené s poněkud komplikovanější konstrukcí TPV však budou konvenční PV téměř jistě pro tyto aplikace účinnější.

Pravděpodobně zajímavější je vyhlídka na použití TPV pro přeměnu radioizotopové energie. Výstupem izotopů je tepelná energie. V minulosti byla používána termoelektřina (přímá tepelná na elektrickou přeměnu bez pohyblivých částí), protože účinnost TPV je menší než ~ 10% termoelektrických měničů.^[17] Stirlingovy motory byly také zvažovány, ale čelí obavám o spolehlivost, které jsou nepřijatelné pro vesmírné mise, a to navzdory zlepšené účinnosti konverze (> 20%).^[18] S nedávným pokrokem v oblasti PV s malými pásmy se však TPV stávají slibnějšími kandidáty. Bylo prokázáno, že radioizotopový převodník TPV s 20% účinností používá wolframový zářič zahřátý na 1350 K, s tandemovými filtry a 0,6 eV bandgap FV převodníkem (chlazeným na teplotu místnosti). Asi 30% ztracené energie bylo způsobeno optickou dutinou a filtry. Zbytek byl způsoben účinností FV měniče.^[18]

Nízkoteplotní provoz převodníku je rozhodující pro účinnost TPV. Vytápění FV měničů zvyšuje jejich temný proud, čímž snižuje účinnost. Převodník je ohříván zářením z vysílače. V pozemských systémech je rozumné rozptýlit toto teplo bez použití další energie s a chladič. Prostor je však izolovaný systém, kde jsou chladiče nepraktické. Proto je zásadní vyvinout inovativní řešení pro účinné odvádění tohoto tepla nebo optimalizované články TPV, které mohou účinně pracovat s převaděči vyšší teploty. Oba představují zásadní výzvy. Navzdory tomu nabízejí TPV značný příslib pro použití v budoucích vesmírných aplikacích.^[17]

Komerční aplikace

Off-grid generátory

Mnoho domů se nachází ve vzdálených oblastech, které nejsou připojeny k elektrické síti. Prodloužení elektrického vedení, pokud je k dispozici, může být nepraktické. TPV mohou poskytovat nepřetržité napájení v domácnostech mimo síť. Tradiční fotovoltaické elektrárny by na druhé straně neposkytovaly dostatečnou energii během zimních měsíců a nočních hodin, zatímco TPV mohou využívat alternativní paliva ke zvýšení výroby pouze na solární energii.

Největší výhodou pro generátory TPV je kogenerace tepla a energie. V chladném podnebí může fungovat jako ohřívač nebo kamna a jako generátor energie. Společnost JX Crystals vyvinula prototyp topných kamen a generátoru TPV. Spaluje zemní plyn a používá zdroj zdroje SiC pracující při 1250 ° C a fotobuňku GaSb k výstupu 25 000 BTU / h současně generuje 100 W. Aby se však stala komerčně životaschopnou, je nutné výrazně snížit náklady.

Když se pec používá jako ohřívač a generátor, nazývá se to kombinovaná výroba tepla a elektřiny (CHP). Teoretizovalo se mnoho scénářů kogenerace TPV, ale za nejvýhodnější z hlediska nákladů se ukázal generátor využívající vroucí chladicí kapalinu.^[19] Navrhovaná CHP by využívala IR zářič SiC pracující při 1425 ° C a fotobuňky GaSb chlazené varem chladicí kapaliny. TPV CHP by produkovalo 85 000 BTU / h a generovalo 1,5 kW. Odhadovaná účinnost by byla 12,3% a investice by činila 0,08 EUR / kWh za předpokladu, že životnost kogenerační pece je 20 let. Odhadované náklady na jiné kogenerační jednotky jiné než TPV jsou 0,12 EUR / kWh pro CHP na plynový motor a 0,16 € / kWh pro CHP na palivové články. Tato navrhovaná pec nebyla komercializována, protože trh nebyl považován za dostatečně velký.

Rekreační vozidla

TPV byly navrženy pro použití v rekreačních vozidlech. S příchodem hybridních a jiných elektricky poháněných vozidel se generátory s elektrickými výstupy staly zajímavějšími. Zejména díky univerzálnosti TPV pro volbu paliva a schopnosti používat více zdrojů paliva jsou zajímavé, protože se objevuje širší paleta paliv s lepší udržitelností. Tichý provoz TPV umožňuje výrobu elektřiny, kdykoli a kde není povoleno použití hlučných konvenčních generátorů (tj. Během „tichých hodin“ v kempech národního parku), a neruší ostatní. Avšak teploty emitoru potřebné pro praktickou účinnost činí TPV v tomto měřítku nepravděpodobnými.^[20]

Reference

externí odkazy

• 6. mezinárodní konference o termofotovoltaické výrobě elektřiny
• Přehled technologie NRA pro radioizotopovou přeměnu energie
• Nové termofotovoltaické materiály by mohly nahradit alternátory v automobilech a ušetřit palivo