Новый элемент преобразует тепловую энергию в электрическую с высокой эффективностью

Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловую машину без движущихся частей. Их эксперименты показывают, что она преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов, что выше, чем у традиционных паровых турбин.

Тепловой двигатель представляет собой термофотоэлектрический (TPV) элемент, аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного источника тепла и преобразует их в электричество. Разработанный элемент может генерировать электричество из источника тепла с температурой от 1900 до 2400 градусов по Цельсию.

Исследователи планируют включить элемент TPV в тепловую батарею сетевого масштаба. Система будет накапливать тепло из возобновляемых источников, таких, например, как солнце, в изолированных сосудах с горячим графитом, а в пасмурные дни элементы TPV будут преобразовывать тепло в электричество и передавать энергию в электросеть.

Термофотоэлектрические элементы – один из путей исследования твердотельных тепловых двигателей. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной шириной запрещенной зоны — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может вытолкнуть электрон через запрещенную зону и, таким образом, генерировать электричество, делая это без движения роторов или лопастей.

Исследователи проверили эффективность ячейки, поместив ее над датчиком теплового потока — устройством, которое непосредственно измеряет тепло, поглощаемое ячейкой. Они подвергали элемент воздействию высокотемпературной лампы и концентрировали свет на ячейке. Затем они меняли интенсивность лампы и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым ею теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новый элемент TPV сохранял эффективность около 40 процентов.

Результаты работ опубликованы в журнале Nature.