Команда Массачусетского технологического института (MIT) объявила о создании прототипа твердотельного термофотоэлектрического теплового двигателя, который превосходит по эффективности распространенные сегодня паровые турбины, может работать при более высоких температурах и не подвержен износу. Результат ее исследований опубликован в журнале Nature.
Технологии получения энергии из водяного пара больше двух веков. С тех пор, как английский инженер и промышленник Чарльз Парсонс впервые подключил паровую турбину к динамо-машине в 1884 году, технология прошла множество улучшений и доработок и сейчас активно используется в работе электростанций по всему миру.
У паровой турбины есть и свои недостатки. Один из самых критичных - эффективность. Средний коэффициент полезного действия (КПД) такой турбины - 35%. Второй недостаток - нагрев движущих частей турбины. Он не позволяет ей работать при температурах выше 2 тыс. градусов Цельсия.
Альтернативой может стать новая разработка MIT. Ученые продемонстрировали маленькое (1x1 см) термофотоэлектрическое (TPV) устройство, которое не имеет движущих частей и может сохранять КПД на уровне 40%, работая при температурах от 1900 до 2400 ° C.
Принцип работы этого TPV и предыдущих подобных устройств следующий. Поступающее тепло собирается материалом поглотителя/излучателя, который затем выбрасывает фотоны в противоположную сторону. Фотоны затем собирает фотогальванический элемент и преобразует их в электроэнергию
Но в отличие от аналогов, термофотоэлектрический двигатель от MIT работает на более высоких температурах. Это позволяет устройству поглощать больше тепла и испускать фотоны с более высокой скоростью, а значит вырабатывать больше электричества. Еще одно отличие - использование многослойного фотоэлемента. Первый слой собирает фотоны с самой высокой энергией, а второй - с низкой. Те фотоны, энергия которых недостаточна и позволяет пройти через оба слоя, отражаются обратно на поглотитель/излучатель с помощью зеркала, что позволяет поддерживать температуру излучателя на более высоком уровне.
Использование прототипа при более высоких температурах позволит задействовать его при работе электростанций следующего поколения, работающих на природном газе и водороде с низким уровнем выбросов. Это также поможет извлекать больше энергии из источника сгорания с меньшими затратами.
Изобретение MIT также возрождает когда-то забытую идею о тепловых батареях, которые могут хранить энергию наряду с литиевыми. Предложенный командой инженеров проект предполагает использование избыточного электричества для нагрева «плотно изолированных блоков горячего графита», которые будут действовать как носитель энергии. По мере надобности большие блоки тепловых двигателей TPV будут преобразовывать энергию обратно в электричество для сети. Да, КПД у тепловых батарей 40-55 процентов, против 70% у литиевых аккумуляторов. Зато капзатраты на единицу энергии у тепловых батарей составляют всего 0,1 от более популярных конкурентов.
"Термофотоэлектрические элементы стали последним важным шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией. Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной энергосистеме. Технология безопасна, экологически благоприятна в своем жизненном цикле и может оказать огромное влияние на сокращение выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии", - говорит профессор на факультете машиностроения Массачусетского технологического института Асегун Генри.