Тепловой двигатель — это термофотогальванический элемент наподобие фотоэлемента солнечной панели, который улавливает высокоэнергетические фотоны и преобразует их в электричество. Конструкция, изобретенная специалистами Массачусетского технологического института (MIT) и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), вырабатывает ток от источника температурой от 1900 до 2400 °C. Изобретение прошло испытания и продемонстрировало высокий уровень производительности — более 40%. Это больше, чем у традиционных паровых турбин.
Более 90% электроэнергии мира вырабатывают такие источники тепла, как уголь, природный газ, атомная энергия и концентрированная солнечная энергия. Веками паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования тепла в электричество. В среднем паровая турбина конвертирует в электроэнергию 35% тепла, а максимум — 60%. При этом такие устройства состоят из подвижных элементов, на которые пагубно воздействуют температуры выше 2000 °C.
В последние годы инженеры заинтересовались альтернативными паровыми турбинами без подвижных частей, способными работать при более высокой температуре. К ним и относятся термофотогальванические элементы, созданные из полупроводящих материалов с определенной энергетической щелью. Если такой материал поглощает фотон с достаточно высокой энергией, он запускает электрон через эту щель. В результате генерируется электричество без вращающихся роторов или лопастей.
Правда, до сих пор средняя производительность таких элементов достигала в среднем 20% (максимум — 32%). Они изготавливались из материалов с относительно низкой энергетической щелью, которые конвертируют низкотемпературные и низкоэнергетические фотоны. Поэтому их эффективность оставалась низкой.
Инженеры MIT и NREL собрали термофотогальванический элемент из двух видов сплавов, с низкой и с высокой энергетической щелью, под которыми расположен слой полированного золота. Верхний слой улавливает самые высокоэнергетические фотоны и преобразует их в электричество. Второй работает с теми фотонами, которые прошли первый слой. Все фотоны, которые дошли до зеркального слоя, отражаются обратно, чтобы не создавать сбросное тепло.
Изобретатели протестировали устройство размером примерно с квадратный сантиметр, поместив его поверх датчика теплового потока и поместив под высокотемпературную лампу с направленным лучом концентрированного света. Меняя интенсивность лампы, они рассчитали эффективность элемента. В диапазоне от 1900 до 2400 °C он сохранял КПД около 40%. Разработчики предлагают использовать высокоэнергетические термофотогальванические элементы в системах хранения возобновляемой энергии.
