Фотонные слои сортируют свет для раскалённого генератора
Какой вы понимаете путь прямого преобразования теплоты сгорания горючего в электричество? Без промежуточной механической работы? Точно вы сообщите – термопары.
Но имеется ещё один метод, куда менее узнаваемый, но, возможно, намного более перспективный.
Ещё в 1960-х и в 1970-х годах исследователи в различных государствах пробовали создать компактные генераторы для космической техники на базе достаточно необыкновенного принципа. Тогда что-то не получилось. И так как, казалось бы, в собственной базе идея-то гениально несложна.
Но чтобы «простота» эта реально получила, потребовались новейшие технологии.
Сейчас давешнюю идея, но в этом случае применительно к технике земной – к машинам, реанимировали физики из Массачусетского технологического университета (MIT), а потому пора с ней (мыслью) познакомиться ближе.
Берём относительно маленькое количество горючего, сжигаем его равномерно и нормально, и нагреваем с его помощью тело-излучатель. Что именуется «до белого каления». А правильнее (как в этом проекте) — до 1227 градусов по шкале Цельсия.
Излучаемый телом весьма броский свет мы направляем на фотодиод – «солнечную батарею», которая и даёт нам ток. И никакого Солнца не требуется. Потому «солнечная» – в кавычках.
Принцип работы термофотоэлектрического генератора (иллюстрация с сайта lees.mit.edu).
Дабы такая совокупность была не просто работоспособной, но ещё и владела высоким КПД, исследователям MIT было нужно воспользоваться самыми последними достижениями в физике фотонных кристаллов.
Тут необходимо напомнить, что это такое. Фотонные кристаллы — это периодические (наподобие слоёного пирога) структуры из разных материалов, слои в которых владеют толщиной, сопоставимой с длиной волны света (к примеру, света видимого).
Электронная микрофотография «слоёного пирога» фотонного кристалла, выступающего в данном устройстве в качестве светового фильтра (фото с сайта lees.mit.edu).
Такие периодические структуры владеют необыкновенными оптическими особенностями, хорошими от оптических особенностей материалов, их составляющих. К примеру, фотонные кристаллы смогут пропускать через себя определённые частоты волн (практически без отлагательств, как очень прозрачные тела), но наряду с этим отражать, как будто бы наилучшее зеркало, другие волны.
По большому счету, фотонные кристаллы в оптике сравнивают с полупроводниками в мире электроники и полупроводниковыми устройствами, на них основанными. Применительно к фотонным кристаллам возможно сказать о разрешённых и запрещённых энергетических территориях, наподобие таких территорий в полупроводниках. Фотонные кристаллы смогут быть световыми «проводниками», «полупроводниками» и «диэлектриками», где вместо тока – фотоны.
Сейчас возвратимся к проекту MIT. Сходу видно, что при нагреве простого тела и при применении простой фотоэлектрической панели мы возьмём низкую эффективность. И вот как-то доктор наук Джон Кассакиан (John Kassakian), директор лаборатории электромагнитных и электронных совокупностей MIT (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems — LEES), собрал собственных сотрудников и сообщил: «А из-за чего бы нам не приспособить для сортировки волн фотонные кристаллы?
У них же имеется именно необходимые нам свойства!».
Ну, быть может, начиналось всё не совсем так. Но итог таков: как раз в лаборатории LEES на данный момент полным ходом идёт отработка высокоэффективной термофотоэлектрической совокупности. И уже созданы первые трудящиеся прототипы таких преобразователей.
Исследователи решили подобрать подходящий фотонный кристалл в качестве излучателя света. Тут подошёл так называемый двухмерный фотонный кристалл, со структурой поверхности, похожей по виду на пчелиные соты. Материал – тугоплавкий сплав на базе вольфрама.
Расчётная (голубой- цвет) и измеренная (тёмно-светло синий) черта фильтра. Шкала внизу – длины волн в микронах, шкала слева — светопропускание (иллюстрация с сайта lees.mit.edu).
Соты эти владеют глубиной и поперечником «колодца», сопоставимыми с длиной волны видимого света. Правильнее, эти два размера вычислены так, что при нагреве тела они поощряют излучение на определённых частотах и подавляют – излучение вторых волн.
А ведь простое нагретое тело светит более-менее равномерно в широком диапазоне частот, каковые (различные частоты) всецело утилизировать было бы затруднительно.
Излучатель данный, к слову, сделан в виде цилиндра. Около него находится солнечная батарея. Она также не в полной мере привычная.
Авторы проекта выполнили её на базе антимонида галлия.
Но основная изюминка проекта – это промежуточный цилиндр, установленный между цилиндром-цилиндром и излучателем — «солнечной» панелью.
Промежуточный цилиндр данный кроме этого представляет собой фотонный кристалл, так называемый одномерный. Составлен он из множества чередующихся слоёв кремния (толщиной по 170 нанометров) и диоксида кремния (390 нанометров).
Данный фотонный кристалл трудится как превосходно правильный фильтр: волны с длиной ниже 1,7 микрон (эта величина была выяснена, исходя из параметров фотоэлектрического преобразователя) он пропускает к батарее, а более долгие волны — отражает назад, к излучателю.
Сотоподобная структура поверхности вольфрамового излучателя – фотонного кристалла. Справа: сравнение чёрта излучения «легко» вольфрама (светло синий цвет) и фотонного кристалла на его базе (красный).
Шкала внизу – длины волн в микронах, шкала слева – коэффициент излучения (иллюстрации с сайта lees.mit.edu).
Тем самым достигается двойная польза, повышающая неспециализированный КПД совокупности: к фотодиоду проходят частоты, каковые самый действенно им «перевариваются» и преобразовываются в электрический ток, а отражённый фильтром в обратную сторону свет оказывает помощь поддерживать большую температуру центрального тела — излучателя.
Проходящее к фотопреобразователю, но всё-таки не перевоплощённое в ток, излучение ведет к нагреву фотодиода, так что его ещё приходиться охлаждать. Это – одна из главных неприятностей проекта.
И всё равняется, исходя из результатов и расчётов первых опытов с экспериментальными установками, авторы проекта говорят, что в теории таким методом возможно превращать энергию горючего в электричество с эффективностью до 40-50%, что, пожалуй, выше суммарного КПД обычного ДВС, трудящегося в паре с простым электрогенератором.
Так, применяя нагретое тело, излучающее, по большей мере, на «верных» частотах, плюс фильтр, пропускающий к батарее только волны, действенно преобразовываемые ею в ток, и являющийся кроме этого зеркалом для других волн, да саму батарею из высокоэффективных материалов, авторы добились необычных параметров.
Они говорят, что такие установки, само собой разумеется, не заменят простые двигатели под капотами машин, но вот в качестве генератора для бортовой сети – были бы совершенны. Судите сами – никаких движущихся частей. Равномерное действенное сгорание горючего.
Бесшумность. Большой КПД.
Сравнение КПД термофотопреобразователя: 1 – на базе простого нагретого тела и фотоячейки; 2 – то же, но с промежуточным фильтром частот; 3 – с селективным излучателем и фильтром на базе фотонного кристалла; 4 – то же, но с совершенным фильтром. Шкала внизу – температура нагрева излучателя в Кельвинах, шкала слева – КПД (иллюстрация с сайта lees.mit.edu).
Такие генераторы имели возможность бы давать ток автомобилю на стоянке, так, дабы не приходилось гонять двигатель. В мороз лишнее сбрасываемое фотоячейкой тепло понадобилось бы для обогрева салона, а в жару таковой генератор имел возможность бы с минимальными затратами снабжать током кондиционер.
Особенно привлекательна такая совокупность для магистральных тягачей. Так как крутить их огромные моторы практически вхолостую, только дабы обогреть кабину либо подзарядить аккумуляторная батареи – через чур накладно и неэффективно.
Ну и, само собой разумеется, в качестве дополнительного генератора для гибридных авто такая термофотосистема была бы крайне полезной.
Кстати, разу уж отыскали в памяти про гибриды. Один из фаворитов в данной области – компания Toyota — по необычному совпадению есть одним из спонсоров данного проекта MIT.
Но вот какого-либо решения о применении термофотогенератора на автомобилях японцы, дескать, ещё не принимали. Не пришло время? Либо Toyota не желает через чур рано тревожить соперников?
