Новое компьютерное моделирование предполагает, что высокотемпературное преобразование TPV, которое улавливает инфракрасное излучение от очень горячих поверхностей, в один прекрасный день может составить конкуренцию турбинным системам с комбинированным циклом в сочетании с накоплением тепла с использованием жидкого металла при температурах около 1300 градусов по Цельсию. Достижения в области высокотемпературных компонентов и улучшенное моделирование системы в сочетании с потенциальными затратами на преобразование на порядок ниже, чем у турбин, предполагают, что TPV может предложить путь для эффективного хранения и производства электроэнергии из солнечных тепловых источников, новое исследование предлагает.
Базовые технологии высокотемпературного хранения и термофотоэлектрического преобразования также могут быть использованы для производства сетевых батарей, способных быстро дополнять другие источники энергии, сохраняя тепло для быстрого преобразования в электричество. Исследование, проведенное при поддержке ARPA-E, было опубликовано 4 июля в журнале Energy and Environmental Science исследователями Технологического института Джорджии.«Целью нашего исследования было представить теплопередачу и термодинамическую перспективу для системы, которая сочетает в себе концентрированную солнечную энергию (CSP) с накоплением тепла и TPV, чтобы показать, что такая система заслуживает нового внимания», — сказал Ассегун Генри, помощник профессор Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа Технологического института Джорджии. «В контексте полной системы мы предполагаем, что однажды эффективность может соперничать с лучшими тепловыми двигателями, доступными сегодня на планете».TPV работает по тому же принципу, что и солнечные элементы, которые широко используются сегодня, но преобразует фотоны в инфракрасных длинах волн, а не в видимом спектре.
Инфракрасное излучение — это преобладающий вид тепла и света, излучаемые раскаленными докрасна обогревателями.Большинство исследований, опубликованных в энергетической литературе, предполагают, что коэффициент конверсии TPV будет менее 20 процентов, что не может конкурировать с другими тепловыми двигателями. Но Генри считает, что в этих расчетах не учитываются должным образом длины волн преобразования и не учитывается эффективность, возможная при рассмотрении всей системы доставки тепла.«Вся система могла бы быть достаточно эффективной, если бы мы понимали, где течет тепло, и соответствующим образом спроектировали бы», — сказал Генри. «Мы считаем, что есть способ сделать эти ячейки TPV на порядок дешевле, чем турбины для преобразования тепловой энергии в электричество».
Тепло будет поставляться системой CSP, собирающей тепловую энергию солнца с помощью отражателей. Тепло будет использоваться для плавления кремния, который можно хранить в больших изолированных резервуарах до тех пор, пока он не понадобится; тогда тепло будет выделяться по мере затвердевания кремния.
По словам Генри, перемещая элементы TPV, когда их энергия не требуется, систему можно быстро включать и выключать для дополнения электричества от ветра или прямых солнечных фотоэлектрических источников.«Энергетические компании мечтают иметь ресурс, который может перейти с нуля до полной мощности за считанные секунды», — сказал он. «При правильной изоляции и затенении ячеек мы могли бы включать и выключать их быстрее, чем любая другая технология преобразования».Важнейшей задачей сделать возобновляемую энергию конкурентоспособной по сравнению с ископаемым топливом в масштабах коммунального предприятия, является обеспечение диспетчеризации электроэнергии.
По словам Хамида Реза Сейфа, старшего научного сотрудника, занимавшегося системным моделированием, экономическое преимущество накопления тепла перед электрохимическим накоплением также делает TPV с системой накопления тепловой энергии (TES) привлекательной для преобразования и хранения энергии для использования в сети.«Мы объединяем большие экономические преимущества TES с возможностью низкой стоимости и высокой производительности, получаемой от ячеек TPV, изготовленных на многоразовых подложках, с обратными отражателями с высокой отражательной способностью для рециркуляции фотонов», — сказал он. «Если солнечная энергия производится и не требуется, вы можете использовать ее для производства тепловой энергии, которая при необходимости может храниться и отводиться в силовой блок TPV. к электрохимическим батареям, делают TES очень привлекательными ».
Если бы силовой блок TPV мог быть эффективен на 60 процентов, он мог бы конкурировать с наиболее экономичным и эффективным тепловым двигателем, который когда-либо производился на коммерческой основе, что достигается с помощью цикла на основе тандемной турбины. Стоимость турбин хорошо известна и вряд ли существенно снизится, поэтому единственный способ снизить их стоимость — повысить их эффективность. Однако, поскольку современные турбины чрезвычайно эффективны и работают вблизи своего термодинамического предела, остается мало возможностей для повышения эффективности.
По словам Сейфа, силовой блок TPV не только может снизить стоимость, но и имеет гораздо больше возможностей для повышения эффективности.
Вычислительная модель показывает, что эффективность системы TPV в сочетании с концентрированной солнечной батареей и накопителем может достигать 65 процентов. Но для этого потребуются долгосрочные исследовательские инициативы.В своей модели группа исследовала эффекты отражателя на задней поверхности (BSR) на основе серебра, отражающего неиспользованный свет обратно к излучателю.
Исследование количественно оценило важность отражательной способности BSR для общей производительности системы.Исследовательская группа Генри недавно продемонстрировала насосы, контейнеры для хранения и другие компоненты, которые могут работать при экстремальных температурах от 1300 градусов по Цельсию и выше. Исследователи надеются, что их новая статья побудит других стремиться к усовершенствованию TPV, включая изготовление ячеек TPV на многоразовых подложках, которые могут привести к разработке реальных систем по ценам, конкурентоспособным с ископаемым топливом.
«Я надеюсь, что эта статья поможет объединить сообщество термофотоэлектрических и фотоэлектрических систем с сообществом CSP, чтобы понять, что тепловая и фотоэлектрическая система использует преимущества обеих сторон», — сказал Генри. «Это тепловая машина, которая реально может побить текущий рекорд. Это совершенно другая технология, и предстоит еще много исследований».
Этот проект поддержан Министерством энергетики США ARPA-E, номер гранта DEAR0000339. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения спонсора.