Исследования Мичиганского университета (U-M) показывают, что устройства, способные преобразовывать тепло в электричество, приближаются к теоретическому максимальному КПД, что делает их все более пригодными для использования в сети.

Тепловой солнечный элементы могут использоваться для преобразования возобновляемой энергии в электричество и накопления ее в тепловых батареях в часы пиковой производительности.

Андрей Ленерт, доцент кафедры химической инженерии Калифорнийского университета и основной автор исследование опубликовано в журнале Joule, объясняет, что по мере того, как мы увеличиваем долю возобновляемых источников энергии в энергосистеме для достижения целей декарбонизации, возникает необходимость в системах хранения энергии, которые были бы одновременно более доступными и способными хранить энергию в течение более длительного времени. Это происходит потому, что энергия, вырабатываемая солнечными и ветровыми источниками, не всегда соответствует времени, когда она необходима.

Термофотовольтаические элементы функционируют аналогично фотоэлектрическим элементам, которые чаще всего называют солнечными элементами. Термофотовольтаика использует инфракрасные фотоны, которые обладают меньшей энергией, для преобразования электромагнитного излучения в электричество, в отличие от фотонов видимого света, которые обладают большей энергией.

Новое устройство команды разработчиков демонстрирует эффективность преобразования энергии в 44% при температуре 1435°C, что соответствует требуемому диапазону от 1200°C до 1600°C для высокотемпературного накопления энергии. При таких температурах она превышает 37%, достигнутые в предыдущих разработках.

По словам автора исследования, заслуженного профессора электротехники Калифорнийского университета Питера А. Франкена (Peter A. Franken), этот тип батарей чрезвычайно пассивен. Нет необходимости добывать литий горным способом, как в случае с электрохимическими элементами. Следовательно, нет необходимости конкурировать с индустрией электромобилей. В отличие от гидроэлектрических накопителей энергии, использующих перекачиваемую воду, этот метод обеспечивает гибкость в выборе местоположения и устраняет необходимость в наличии поблизости источника воды.

Термофотовольтаические элементы будут окружать нагреваемый блок материала в тепловой батарее, при этом температура вещества будет поддерживаться при минимальной температуре 1000°C. Такой температуры можно было бы достичь, проводя электричество от ветряной или солнечной электростанции через резистор, или используя избыточное тепло от солнечной тепловой энергии, или при производстве стали, стекла или бетона.

Накопитель излучает тепловые фотоны с различным спектром энергий. При температуре 1435°C примерно 20-30% частиц обладают достаточной энергией для производства электричества в термофотовольтаических элементах, разработанных учеными. Важнейшим аспектом этой работы является повышение эффективности полупроводникового материала для улавливания фотонов за счет расширения диапазона требуемых энергий фотонов и приведения их в соответствие с преобладающими энергиями, генерируемыми источником тепла.

Однако источник тепла излучает фотоны с энергией, которая одновременно выше и ниже той, которую полупроводник может эффективно преобразовать в электрическую энергию. Без тщательного проектирования эти возможности были бы утрачены.

Чтобы решить эту проблему, ученые создали узкую воздушную прослойку внутри термофотовольтаического элемента, расположенную сразу за полупроводником. Кроме того, они установили золотой отражатель снаружи воздушного зазора, создав устройство, называемое “воздушным мостом”.

Этот резонатор функционировал как средство удержания фотонов с соответствующей энергией, позволяя им проникать в полупроводник, в то же время отражая другие фотоны обратно в теплоаккумулирующий материал. Это предоставляло дополнительную возможность для переизлучения энергии в виде фотонов, которые могли быть захвачены полупроводником.

Команда подала заявку на патентную защиту с помощью U-M Innovation Partnerships и активно ищет партнеров для коммерциализации изобретения.