Молниезащита
Новости
Пресс-центр / Новости / Невидимый зазор кидает фотоны на передовую энергетики




207208

Невидимый зазор кидает фотоны на передовую энергетики

Невидимый зазор кидает фотоны на передовую энергетики

Это одно из ранних устройств, которое американские учёные использовали в опытах с экзотическим преобразователем энергии


Совместить несовместимое – типичная задача изобретателя, пытающегося применить к одному объекту взаимоисключающие, но до зарезу необходимые требования. Когда человек не знает, что это невозможно, рождаются замечательные вещи типа металлического стекла, летних саней, сухой воды или… нового электрогенератора.


Американская корпорация MTPV объявила о заключении соглашения с неким стекольным заводом: там необычные устройства будут генерировать даровое электричество от горячего выхлопа заводских труб.


Впервые MTPV опробует в промышленности свои экзотические генераторы, работа над которыми идёт уже много лет. Но значение этого теста выходит за рамки получения тока из бросового тепла. Те же системы могут оказаться привлекательными для выработки электричества из солнечных лучей. А по нынешним временам это уже "большая энергетика".


Расшифровывается аббревиатура MTPV как Micron-gap ThermoPhotoVoltaics, что означает термофотоэлектрические преобразователи с микронным зазором. Зачем тут зазор и куда его "втиснули" — скажем чуть позже. А сначала — пару слов просто о ThermoPhotoVoltaics, то бишь о термофотоэлектрической генерации.



 


Общий принцип термофотоэлектрического преобразователя. В данном примере излучающее нагретое тело и солнечная батарейка выполнены в виде цилиндров, вставленных один в другой, но возможны иные формы (иллюстрация John Kassakian/MIT).



Общий её принцип прост. Имеется источник тепла (газовая или бензиновая горелка, выхлоп завода, электростанции, автомобиля или те же солнечные лучи, сконцентрированные зеркалами), есть раскалённое тело — излучатель, свет от которого попадает на фотоэлектрическую панель. Она и генерирует ток.


Со сжиганием топлива и с даровым теплом всё ясно. Но зачем вводить такое промежуточное преобразование для солнечных лучей, когда можно просто подставить под них фотоячейку напрямую? Оказывается, при определённых условиях такая выработка электрической энергии с "лишними" ступенями (свет – нагрев – свет – солнечная батарея – ток) может оказаться более выгодной.


Ведь солнечная батарея эффективно преобразует только свет определённой частоты (или ряда частот, как в некоторых современных моделях), но львиная доля энергии всего спектра – теряется.


А вот параметры нагретого излучателя можно подобрать так, чтобы он выдавал большую часть мощности на частотах, наиболее удобных для батареи. (В одной из таких работ для настройки излучателя и дополнительной фильтрации света применяли фотонные кристаллы.)


Потому теоретический КПД термофотоэлектрического преобразователя составляет 85%. А на практике, утверждает MTPV, можно было бы получить 50%.



 


Это обычный термофотоэлектрический преобразователь, для сравнения. Как видно, тут между разогреваемым излучателем и фотоэлектрическими панелями чуть ли не ладонь можно просунуть. Солнечные панельки так, конечно, не греются, но и КПД – невелик (фото с сайта boilerinfo.org).



Только нужно решить ряд проблем. И первая – сделать так, чтобы как можно больше фотонов от нагретого излучателя попадало бы на солнечную батарею и поглощалось ею.


Вторая трудность — чрезмерный нагрев этой самой солнечной батареи. Для нормальной работы она должна оставаться холодной (более-менее), а для роста эффективности всей установки требуется поднять температуру излучателя. В общем, и развести эти детали нельзя (много света пропадёт), и соединять вместе — тоже.


Технология MTPV как раз и есть ответ на оба вопроса. По словам Роберта Диматтео (Robert DiMatteo), основателя и исполнительного директора MTPV, одного из главных разработчиков системы, тот самый микрометровый зазор (между излучателем и батареей, вы уже догадались) позволяет увеличить поток "полезных" фотонов в 10 раз.


Это означает либо рост мощности, либо сокращение площади фотопреобразователя (следовательно — снижение цены), либо снижение температуры излучателя без утраты мощности.


Интересно, что работает зазор не так просто, как кажется на первый взгляд. Тут авторы технологии приводят аналогию с парой стеклянных призм. Пока между ними остаётся заметная щель, вошедшие в первую призму лучи во вторую не переходят, а покорно следуют закону полного внутреннего отражения.


Но если начать сводить призмы вместе, в какой-то момент ситуация меняется скачкообразно – лучи вдруг начинают игнорировать внутреннее отражение и перескакивают во вторую призму. И важно, что происходит это ещё до фактического соприкосновения стекляшек, но при зазоре, меньшем, чем длина волны используемого света.


Так и с тепловым излучателем. Большая часть порождённых им фотонов остаются внутри тела, испытывая внутреннее отражение от границы между ним и вакуумом (понятно, что между излучателем и солнечной батареей должен быть вакуум, иначе последняя моментально перегреется).


А вот если подвести фотоячейку к излучателю поближе – происходит туннелирование фотонов и раскалённое тело начинает очень активно "накачивать" солнечную батарейку. (Тут также происходит передача энергии между электронами, сидящими внутри каждого из этих двух тел).



 


Принцип работы субмикронного зазора. Слева: аналогия с призмами. Справа: взаимное расположение излучателя и фотопреобразователя, а также график передаваемой энергии в зависимости от величины зазора (иллюстрация Robert DiMatteo/MTPV).




Несмотря на название технологии (Micron-gap...), фактически в опытных устройствах авторы создавали субмикронный зазор между излучающей поверхностью и фотоячейкой, а именно 0,12-0,2 микрометра.


Результат – система работает более эффективно и при более низких температурах. Так, если обычно термофотоэлектрические конверторы требуют разогрева излучателя до 1500 °C, то MTPV проводила успешные тесты при 300-900 градусов Цельсия. И, по словам Роберта, технологию можно ещё улучшить, что позволит генерировать энергию при тепле на входе и вовсе всего в 100 °C.


Дело в том, что MTPV придумала, как разделить излучатель и батарею ещё меньшим зазором, сохранив при этом теплоизоляцию. Не забываем – теория теорией, а нам требуется реальное устройство, в котором солнечная панель просто так над нагретым телом парить не может.


 



 


Принцип трубчатого разделителя. Слева: самый ранний вариант, чьи размеры не позволяли существенно подавить перенос тепла (за счёт теплопроводности) от излучателя к батарее. Справа: в новой схеме опора заметно вытянута и погружена в колодец, выполненный в толще излучателя. Теплоперенос через такую колонну падает в 10 раз (иллюстрация Robert DiMatteo/MTPV).



MTPV создала трубчатые распорки (разделители) хитрой формы. Армия таких элементов микроскопических размеров – это и есть опорные колонны для фотоячейки.


Поток энергии, идущий по таким колоннам за счёт теплопроводности, – ничтожно мал в сравнении с энергией, испускаемой нагретым телом в виде фотонов. И батарея не слишком нагревается, и зазор остаётся столь малым, сколь необходимо.


Потенциально такие преобразователи способны превзойти в эффективности лучшие термоэлектрогенераторы — то есть полупроводниковые устройства, напрямую превращающие тепло в электрический ток.


Аппараты MTPV могут заменить и солнечные батареи. Вспомним, как бьются учёные и инженеры, чтобы "научить" их с пользой для дела поглощать свет на разных частотах. Тут же мы используем солнечный свет как нагреватель, а дальше получаем ток от специальной "слётанной" пары излучатель-фотоячейка.



 


Кадр с электронного микроскопа показывает один из экспериментальных держателей (или разделителей), на который должна опираться солнечная батарея, подсоединяемая к нагретому излучателю (фото Robert DiMatteo/MTPV).



Есть и другие экзотические способы конверсии солнечного света в электричество, например плёнка с наноантеннами (расчётный КПД 30-40%) и замкнутый топливный элемент с неразменным водородом (60%, также в теории).


Что из этого в конце концов "выстрелит"? Сказать сложно — эти чудеса всё никак не выйдут из стен лабораторий.


Как и экспериментальные солнечные батареи с необычайно высоким КПД (42,8 и 40,8).


Так что на практике самым эффективным способом преобразования лучей солнца в промышленный ток пока остаётся комбинация зеркало-стирлинг. Мировое достижение тут составляет 31,25%.


Увы, в последней системе есть движущиеся детали, а значит — возможны поломки, да и механический износ нужно учитывать. В MTPV же ломаться нечему. И пусть пока КПД таких опытных устройств составляет всего 15%, потенциал их велик.


Интересно, что Диматтео опубликовал первую свою научную работу с концепцией MTPV в конце 1990-х годов. Вот сколько времени ушло на создание и испытания множества экспериментальных образцов. Зато теперь стекольщики получат даровой ток от столь необычных машин, а Роберт — возможность выявить сильные и слабые стороны своей разработки "в бою".