Превращение тепловой энергии в электричество

 

С добавлением датчиков и улучшенных средств связи обеспечение легкой, портативной мощности стало еще более сложным. Исследования, финансируемые армией, продемонстрировали новый подход к превращению тепловой энергии в электричество, который может обеспечить компактную и эффективную энергию для солдат на будущих полях сражений.

Горячие объекты излучают свет в виде фотонов в свое окружение. Испускаемые фотоны могут быть захвачены фотоэлектрическим элементом и преобразованы в полезную электрическую энергию. Этот подход к преобразованию энергии называется дальней термофотовольтаике, или FF-TPV, и находится в стадии разработки в течение многих лет; однако он страдает низкой плотностью мощности и поэтому требует высоких рабочих температур излучателя.

Исследование, проведенное в Мичиганском университете и опубликованное в Nature Communications,демонстрирует новый подход, при котором разделение между излучателем и фотоэлектрическим элементом сводится к наномасштабу, что обеспечивает гораздо большую выходную мощность, чем это возможно с FF-TPV для той же температуры излучателя.

Этот подход, который позволяет улавливать энергию, которая в противном случае захвачена в ближнем поле излучателя, называется термофотовольтаиками ближнего поля или NF-TPV и использует специально построенные фотоэлектрические элементы и конструкции излучателей, идеально подходящие для условий работы в ближнем поле.

Этот метод продемонстрировал плотность мощности почти на порядок выше, чем для наиболее известных систем ближнего поля TPV, а также работал с шестикратно более высокой эффективностью, прокладывая путь для будущих применений TPV в ближнем поле, по словам доктора Эдгара Мейхофера, профессора машиностроения Мичиганского университета.

«Армия использует большое количество энергии во время развертывания и боевых операций и должна нестись солдатом или системой с ограниченным весом», - сказал д-р Майк Уэйтс, Научно-исследовательская лаборатория Армейского командования по развитию боевых возможностей армии США. «В случае успеха, в будущем околополосные TPV могут служить более компактными и высокоэффективными источниками питания для солдат, поскольку эти устройства могут функционировать при более низких рабочих температурах, чем обычные TPV».

Эффективность устройства TPV характеризуется тем, какая часть общего переноса энергии между излучателем и фотоэлектрическим элементом используется для возбуждения электронно-дырочных пар в фотоэлектрической ячейке. В то время как повышение температуры излучателя увеличивает количество фотонов над зонной зоной ячейки, количество фотонов подзонной зоны, которые могут нагревать фотоэлектрическую ячейку, должно быть сведено к минимуму.

«Это было достигнуто путем изготовления тонкопленочных TPV-ячеек со сверхплоскими поверхностями и с металлическим отражателем», — сказал доктор Стивен Форрест, профессор электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета. «Фотоны над зонной зоной ячейки эффективно поглощаются в полупроводнике толщиной в микрон, в то время как фотоны ниже зонной зоны отражаются обратно в кремниевый излучатель и перерабатываются».

Команда вырастила тонкопленочные фотоэлектрические элементы арсенида индия-галлия на толстых полупроводниковых подложках, а затем отклеила очень тонкую полупроводниковую активную область ячейки и переложила ее на кремниевую подложку.

Все эти инновации в проектировании устройств и экспериментальном подходе привели к новой системе TPV ближнего поля.

«Команда достигла рекордной выходной мощности ~ 5 кВт / м2, что на порядок больше, чем системы, о которых ранее сообщалось в литературе», - сказал доктор Прамод Редди, профессор машиностроения Мичиганского университета.

Исследователи также выполнили современные теоретические расчеты для оценки производительности фотоэлектрической ячейки при каждой температуре и размере зазора и показали хорошее согласие между экспериментами и вычислительными прогнозами.

«Эта текущая демонстрация соответствует теоретическим прогнозам радиационной теплопередачи на наноуровне и напрямую показывает потенциал для разработки будущих устройств TPV ближнего поля для армейских применений в энергетике и энергетике, связи и датчиках», - сказал д-р Пани Варанаси, руководитель программы DEVCOM ARL, которая финансировала эту работу.

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210830140229.htm