Невидимый зазор кидает фотоны на передовую энергетики
Совместить несовместимое – обычная задача изобретателя, пробующего применить к одному объекту взаимоисключающие, но до зарезу нужные требования. В то время, когда человек не знает, что это нереально, рождаются превосходные вещи типа железного стекла, летних саней, сухой воды либо… нового электрогенератора.
Американская корпорация MTPV заявила о заключении соглашения с неким стекольным заводом: в том месте необыкновенные устройства будут генерировать даровое электричество от тёплого выброса заводских труб.
В первый раз MTPV опробует в индустрии собственные экзотические генераторы, работа над которыми идёт уже много лет. Но значение этого теста выходит за рамки получения тока из бросового тепла. Те же совокупности могут быть привлекательными для выработки электричества из солнечных лучей.
А по нынешним временам это уже «громадная энергетика».
Расшифровывается сокращение MTPV как Micron-gap ThermoPhotoVoltaics, что свидетельствует термофотоэлектрические преобразователи с микронным зазором. Для чего тут куда и зазор его «втиснули» — скажем чуть позднее. А сперва — несколько слов просто о ThermoPhotoVoltaics, то бишь о термофотоэлектрической генерации.
Неспециализированный принцип термофотоэлектрического преобразователя. В данном примере излучающее нагретое солнечная батарейка и тело выполнены в виде цилиндров, засунутых один в второй, но вероятны иные формы (иллюстрация John Kassakian/MIT).
Неспециализированный её принцип несложен. Имеется источник тепла (газовая либо бензиновая горелка, выброс завода, электростанции, автомобиля либо те же солнечные лучи, сконцентрированные зеркалами), имеется раскалённое тело — излучатель, свет от которого попадает на фотоэлектрическую панель. Она и генерирует ток.
Со сжиганием горючего и с даровым теплом ясно. Но для чего вводить такое промежуточное преобразование для солнечных лучей, в то время, когда возможно под них фотоячейку напрямую? Оказывается, при определённых условиях такая выработка электроэнергии с «лишними» ступенями (свет – нагрев – свет – солнечная батарея – ток) может оказаться более удачной.
Так как солнечная батарея действенно преобразует лишь свет определённой частоты (либо последовательности частот, как в некоторых современных моделях), но львиная часть энергии всего спектра – теряется.
А вот параметры нагретого излучателя возможно подобрать так, дабы он выдавал солидную часть мощности на частотах, наиболее удобных для батареи. (В одной из таких работ для дополнительной фильтрации и настройки излучателя света использовали фотонные кристаллы.)
Потому теоретический КПД термофотоэлектрического преобразователя образовывает 85%. А на практике, утверждает MTPV, возможно было бы взять 50%.
Это простой термофотоэлектрический преобразователь, для сравнения. Как видно, тут между разогреваемым фотоэлектрическими панелями и излучателем чуть ли не ладонь возможно просунуть. Солнечные панельки так, само собой разумеется, не греются, но и КПД – мал (фото с сайта boilerinfo.org).
Лишь необходимо решить последовательность неприятностей. И первая – сделать так, дабы как возможно больше фотонов от нагретого излучателя попадало бы на солнечную батарею и поглощалось ею.
Вторая трудность — чрезмерный нагрев данной самой солнечной батареи. Для обычной работы она обязана оставаться холодной (более-менее), а для роста эффективности всей установки требуется поднять температуру излучателя. В общем, и развести эти подробности запрещено (большое количество света пропадёт), и соединять совместно — также.
Разработка MTPV именно и имеется ответ на оба вопроса. По словам Роберта Диматтео (Robert DiMatteo), исполнительного директора и основателя MTPV, одного из основных разработчиков совокупности, тот самый микрометровый зазор (между батареей и излучателем, вы уже додумались) разрешает расширить поток «нужных» фотонов на порядок.
Это указывает или рост мощности, или сокращение площади фотопреобразователя (следовательно — понижение цены), или понижение температуры излучателя без потери мощности.
Примечательно, что трудится зазор не так легко, как думается на первый взгляд. Тут авторы разработки приводят аналогию с парой стеклянных призм. До тех пор пока между ними остаётся заметная щель, вошедшие в первую призму лучи во вторую не переходят, а покорно следуют закону полного внутреннего отражения.
Но в случае если начать сводить призмы совместно, в какой-то момент обстановка изменяется скачкообразно – лучи внезапно начинают проигнорировать внутреннее отражение и перескакивают во вторую призму. И принципиально важно, что происходит это ещё до фактического соприкосновения стекляшек, но при зазоре, меньшем, чем протяженность волны применяемого света.
Так и с тепловым излучателем. Большинство порождённых им фотонов остаются в тела, испытывая внутреннее отражение от границы между ним и вакуумом (ясно, что между солнечной батареей и излучателем должен быть вакуум, в противном случае последняя мгновенно перегреется).
А вот в случае если подвести фотоячейку к излучателю поближе – происходит туннелирование фотонов и раскалённое тело начинает весьма деятельно «накачивать» солнечную батарейку. (Тут кроме этого происходит энергопередача между электронами, сидящими в каждого из этих двух тел).
Принцип работы субмикронного зазора. Слева: аналогия с призмами.
Справа: обоюдное размещение излучателя и фотопреобразователя, и график передаваемой энергии в зависимости от величины зазора (иллюстрация Robert DiMatteo/MTPV).
Не обращая внимания на наименование разработки (Micron-gap…), практически в умелых устройствах авторы создавали субмикронный зазор между излучающей поверхностью и фотоячейкой, в частности 0,12-0,2 микрометра.
Итог – совокупность трудится более действенно и при более низких температурах. Так, в случае если в большинстве случаев термофотоэлектрические конверторы требуют разогрева излучателя до 1500 °C, то MTPV проводила успешные тесты при 300-900 градусов Цельсия. И, по словам Роберта, разработку возможно ещё улучшить, что разрешит генерировать энергию при тепле на входе и вовсе всего в 100 °C.
Дело в том, что MTPV придумала, как поделить излучатель и батарею ещё меньшим зазором, сохранив наряду с этим теплоизоляцию. Не забываем – теория теорией, а нам требуется настоящее устройство, в котором солнечная панель просто так над нагретым телом парить неимеетвозможности.
Принцип трубчатого разделителя. Слева: самый ранний вариант, чьи размеры не разрешали значительно подавить перенос тепла (за счёт теплопроводности) от излучателя к батарее. Справа: в новой схеме опора заметно вытянута и загружена в колодец, выполненный в толще излучателя.
Теплоперенос через такую колонну падает на порядок (иллюстрация Robert DiMatteo/MTPV).
MTPV создала трубчатые распорки (разделители) умной формы. Армия таких элементов микроскопических размеров – это и имеется опорные колонны для фотоячейки.
Поток энергии, идущий по таким колоннам за счёт теплопроводности, – ничтожно мелок в сравнении с энергией, испускаемой нагретым телом в виде фотонов. И батарея не через чур нагревается, и зазор остаётся столь малым, сколь нужно.
Возможно такие преобразователи способны превзойти в эффективности лучшие термоэлектрогенераторы — другими словами полупроводниковые устройства, напрямую превращающие тепло в электрический ток.
Аппараты MTPV смогут заменить и солнечные батареи. Отыщем в памяти, как бьются инженеры и учёные, дабы «научить» их с пользой для дела поглощать свет на различных частотах. Тут же мы используем солнечный свет как нагреватель, а дальше приобретаем ток от особой «слётанной» пары излучатель-фотоячейка.
Кадр с электронного микроскопа показывает один из экспериментальных держателей (либо разделителей), на что обязана опираться солнечная батарея, подсоединяемая к нагретому излучателю (фото Robert DiMatteo/MTPV).
Имеется и другие экзотические методы конверсии солнечного света в электричество, к примеру плёнка с наноантеннами (расчётный КПД 30-40%) и замкнутый топливный элемент с неразменным водородом (60%, кроме этого в теории).
Что из этого в итоге «выстрелит»? Неизвестно — эти чудеса всё никак не выйдут из стенку лабораторий.
Как и экспериментальные солнечные батареи с очень высоким КПД (42,8 и 40,8).
Так что на практике самым действенным методом преобразования лучей солнца в промышленный ток до тех пор пока остаётся комбинация зеркало-стирлинг. Мировое достижение тут образовывает 31,25%.
Увы, в последней совокупности имеется движущиеся подробности, соответственно — вероятны поломки, да и механический износ необходимо учитывать. В MTPV же ломаться нечему. И пускай до тех пор пока КПД таких умелых устройств образовывает всего 15%, потенциал их велик.
Примечательно, что Диматтео опубликовал первую собственную научную работу с концепцией MTPV во второй половине девяностых годов. Вот какое количество времени ушло на испытания и создание множества экспериментальных образцов. Но сейчас стекольщики возьмут даровой ток от столь необыкновенных автомобилей, а Роберт — возможность распознать сильные и не сильный стороны собственной разработки «в сражении».
