Термофотоэлектрическое ( ТФЭ ) преобразование энергии — это процесс прямого преобразования тепла в электричество с помощью фотонов . Базовая термофотоэлектрическая система состоит из горячего объекта, испускающего тепловое излучение , и фотоэлектрического элемента, похожего на солнечный элемент , но настроенного на спектр, испускаемый горячим объектом. [1]
Поскольку системы TPV обычно работают при более низких температурах, чем солнечные элементы, их эффективность, как правило, низкая. Компенсация этого путем использования многопереходных элементов на основе некремниевых материалов является распространенной, но, как правило, очень дорогой. В настоящее время это ограничивает TPV нишевыми ролями, такими как питание космических аппаратов и сбор отработанного тепла из более крупных систем, таких как паровые турбины .
Типичная фотовольтаика работает , создавая p–n-переход вблизи передней поверхности тонкого полупроводникового материала. Когда фотоны выше энергии запрещенной зоны материала ударяют по атомам в нижнем слое объема, ниже перехода, электрон фотовозбуждается и освобождается от своего атома. Переход создает электрическое поле , которое ускоряет электрон вперед внутри ячейки, пока он не пройдет переход и не сможет свободно двигаться к тонким электродам, нанесенным на поверхность. Подключение провода спереди назад позволяет электронам течь обратно в объем и замыкать цепь. [2]
Фотоны с энергией, меньшей, чем запрещенная зона, не выбрасывают электроны. Фотоны с энергией, превышающей запрещенную зону, выбрасывают электроны с более высокой энергией, которые, как правило, термализуются внутри материала и теряют свою дополнительную энергию в виде тепла. Если запрещенная зона ячейки увеличивается, испускаемые электроны будут иметь более высокую энергию, когда они достигнут перехода, и, таким образом, приведут к более высокому напряжению , но это уменьшит количество испускаемых электронов, поскольку больше фотонов будут находиться ниже энергии запрещенной зоны и, таким образом, генерировать более низкий ток . Поскольку электрическая мощность является произведением напряжения и тока, существует золотая середина, где общий выход максимален. [3]
Земное солнечное излучение обычно характеризуется стандартом, известным как Воздушная масса 1,5 , или AM1,5. Это очень близко к 1000 Вт энергии на квадратный метр при кажущейся температуре 5780 К. При этой температуре около половины всей энергии, достигающей поверхности, находится в инфракрасном диапазоне . Исходя из этой температуры, производство энергии максимизируется, когда ширина запрещенной зоны составляет около 1,4 эВ, в ближнем инфракрасном диапазоне . Это как раз очень близко к ширине запрещенной зоны в легированном кремнии , равной 1,1 эВ, что делает солнечные фотоэлектрические системы недорогими в производстве. [3]
Это означает, что вся энергия в инфракрасном и нижнем диапазоне, около половины AM1.5, пропадает впустую. Продолжаются исследования ячеек, которые состоят из нескольких различных слоев, каждый с различной шириной запрещенной зоны, и, таким образом, настроены на другую часть солнечного спектра. По состоянию на 2022 год [update]ячейки с общей эффективностью в диапазоне 40% являются коммерчески доступными, хотя они чрезвычайно дороги и не нашли широкого применения за пределами определенных ролей, таких как питание космических аппаратов , где стоимость не является существенным фактором. [4]
Тот же процесс фотоэмиссии может быть использован для производства электроэнергии из любого спектра, хотя количество полупроводниковых материалов, которые будут иметь нужную ширину запрещенной зоны для произвольного горячего объекта, ограничено. Вместо этого необходимы полупроводники с настраиваемой шириной запрещенной зоны. Также трудно производить тепловую мощность, подобную солнечной; ацетилено-кислородная горелка имеет температуру около 3400 К (~3126 °C), а более распространенные коммерческие источники тепла, такие как уголь и природный газ, горят при гораздо более низких температурах около 900 °C - около 1300 °C. Это еще больше ограничивает подходящие материалы. В случае TPV большинство исследований было сосредоточено на антимониде галлия (GaSb), хотя германий (Ge) также подходит. [5]
Другая проблема с источниками с более низкой температурой заключается в том, что их энергия более разбросана, согласно закону смещения Вина . Хотя можно сделать практичный солнечный элемент с одной запрещенной зоной, настроенной на пик спектра, и просто игнорировать потери в ИК-области, выполнение того же самого с источником с более низкой температурой приведет к потере гораздо большего количества потенциальной энергии и приведет к очень низкой общей эффективности. Это означает, что системы TPV почти всегда используют многопереходные элементы для достижения разумных двузначных значений эффективности. Текущие исследования в этой области направлены на повышение эффективности системы при сохранении низкой стоимости системы, [6] но даже в этом случае их роли, как правило, являются нишами, аналогичными ролям многопереходных солнечных элементов.
Системы TPV обычно состоят из источника тепла, излучателя и системы отвода отработанного тепла. Ячейки TPV размещаются между излучателем, часто блоком металла или аналогичным, и системой охлаждения, часто пассивным радиатором. Системы PV в целом работают с меньшей эффективностью по мере повышения температуры, и в системах TPV поддержание фотоэлектрических элементов в холодном состоянии является значительной проблемой. [7]
Это контрастирует с несколько родственной концепцией, «терморадиационными» или «отрицательно-эмиссионными» ячейками, в которых фотодиод находится на горячей стороне теплового двигателя. [8] [9] Также были предложены системы, которые используют терморадиационное устройство в качестве излучателя в системе TPV, теоретически позволяя извлекать энергию как из горячего фотодиода, так и из холодного фотодиода. [10]
Обычные радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), используемые для питания космических аппаратов, используют радиоактивный материал, излучение которого используется для нагрева блока материала, а затем преобразуется в электричество с помощью термопары . Термопары очень неэффективны, и их замена на ТФЭ может обеспечить значительное повышение эффективности и, таким образом, потребовать меньший и более легкий РИТЭГ для любой конкретной миссии. Экспериментальные системы, разработанные Emcore (поставщик многопереходных солнечных элементов), Creare, Oak Ridge и исследовательским центром NASA Glenn, продемонстрировали эффективность от 15 до 20%. Похожая концепция была разработана в Университете Хьюстона , где была достигнута эффективность в 30%, что в 3-4 раза превышает эффективность существующих систем. [11] [5]
Еще одной областью активных исследований является использование TPV в качестве основы системы хранения тепла. В этой концепции электричество, вырабатываемое в непиковые часы, используется для нагрева большого блока материала, как правило, углерода или материала с фазовым переходом . Материал окружен ячейками TPV, которые в свою очередь защищены отражателем и изоляцией. Во время хранения ячейки TPV отключаются, и фотоны проходят через них и отражаются обратно в высокотемпературный источник. Когда требуется питание, TPV подключается к нагрузке.
Элементы TPV были предложены в качестве вспомогательных устройств преобразования энергии для улавливания тепла, которое в противном случае терялось бы в других системах выработки электроэнергии, таких как системы паровых турбин или солнечные элементы.
Генри Колм построил элементарную систему TPV в Массачусетском технологическом институте в 1956 году. Однако Пьер Эгрейн широко упоминается как изобретатель, основываясь на лекциях, которые он читал в Массачусетском технологическом институте в 1960–1961 годах, которые, в отличие от системы Колма, привели к исследованиям и разработкам. [12]
В 1980-х годах эффективность достигла около 30%. [13]
В 1997 году был построен прототип гибридного автомобиля TPV, автомобиль с двигателем «Viking 29» (TPV), разработанный и построенный Институтом исследований транспортных средств (VRI) при Университете Западного Вашингтона . [14] [15] [16]
В 2022 году MIT / NREL анонсировали устройство с эффективностью 41%. В поглотителе использовалось несколько слоев полупроводников III-V, настроенных на поглощение по-разному: ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных фотонов. Золотой отражатель перерабатывал непоглощенные фотоны. Устройство работало при температуре 2400 °C, при которой вольфрамовый излучатель достигает максимальной яркости. [13]
В 2024 году исследователи объявили об устройстве, достигшем эффективности 44%. В качестве материала для хранения тепла в ячейке использовался карбид кремния. SiC был обернут полупроводниковым материалом из индия, галлия и мышьяка. При температуре 1435 °C (2615 °F) устройство излучает тепловые фотоны на различных уровнях энергии. Полупроводник улавливает от 20 до 30% фотонов. Дополнительные слои включают воздух и слой золотого отражателя. [17]
Верхний предел эффективности в ТФВ (и всех системах, преобразующих тепловую энергию в работу) — это КПД Карно , то есть идеальной тепловой машины . Этот КПД определяется по формуле:
где T cell — температура преобразователя PV. Практические системы могут достигать T cell = ~300 K и T emit = ~1800 K, что дает максимально возможную эффективность ~83%. Это предполагает, что PV преобразует излучение в электрическую энергию без потерь, таких как термализация или джоулев нагрев , хотя в действительности фотоэлектрическая неэффективность довольно значительна. В реальных устройствах по состоянию на 2021 год максимальная продемонстрированная эффективность в лаборатории составляла 35% при температуре излучателя 1773 K. [18] Это эффективность с точки зрения преобразования подводимого тепла в электрическую мощность. В полных системах TPV может быть указана обязательно более низкая общая эффективность системы, включая источник тепла, так, например, системы TPV на основе топлива могут сообщать об эффективности с точки зрения преобразования энергии топлива в электрическую энергию, и в этом случае 5% считается «мировым рекордом» эффективности. [19] Реальная эффективность снижается из-за таких эффектов, как потери при передаче тепла, эффективность электрического преобразования (выходное напряжение ТФЭ часто довольно низкое) и потери из-за активного охлаждения фотоэлектрического элемента.
Отклонения от идеального поглощения и поведения идеального черного тела приводят к потерям света. Для селективных излучателей любой свет, излучаемый на длинах волн, не соответствующих энергии запрещенной зоны фотоэлектрического элемента, может не быть эффективно преобразован, что снижает эффективность. В частности, излучения, связанные с фононными резонансами, трудно избежать для длин волн в глубоком инфракрасном диапазоне , которые невозможно преобразовать на практике. Идеальный излучатель не излучал бы свет на длинах волн, отличных от энергии запрещенной зоны, и многие исследования TPV посвящены разработке излучателей, которые лучше приближаются к этому узкому спектру излучения.
Для излучателей черного тела или несовершенных селективных излучателей фильтры отражают неидеальные длины волн обратно к излучателю. Эти фильтры несовершенны. Любой свет, который поглощается или рассеивается и не перенаправляется к излучателю или преобразователю, теряется, как правило, в виде тепла. Наоборот, практические фильтры часто отражают небольшой процент света в желаемых диапазонах длин волн. Оба являются неэффективностями. Поглощение неоптимальных длин волн фотоэлектрическим устройством также способствует неэффективности и имеет дополнительный эффект нагрева, что также снижает эффективность.
Даже для систем, где на фотоэлектрический преобразователь поступает только свет с оптимальной длиной волны, существуют неэффективности, связанные с безызлучательной рекомбинацией и омическими потерями . Существуют также потери от френелевских отражений на поверхности фотоэлектрического элемента, света с оптимальной длиной волны, который проходит через ячейку непоглощенным, и разницы в энергии между фотонами с более высокой энергией и энергией запрещенной зоны (хотя это, как правило, менее существенно, чем в солнечных фотоэлектрических элементах). Потери от безызлучательной рекомбинации, как правило, становятся менее существенными по мере увеличения интенсивности света, в то время как они увеличиваются с ростом температуры, поэтому реальные системы должны учитывать интенсивность, создаваемую заданной конструкцией и рабочей температурой .
В идеальной системе излучатель окружен преобразователями, поэтому свет не теряется. Реалистично, геометрия должна учитывать входную энергию (впрыск топлива или входной свет), используемую для нагрева излучателя. Кроме того, затраты не позволяют окружать фильтр преобразователями. Когда излучатель повторно излучает свет, все, что не попадает в преобразователи, теряется. Зеркала можно использовать для перенаправления части этого света обратно в излучатель; однако зеркала могут иметь свои собственные потери.
Для излучателей черного тела, в которых рециркуляция фотонов достигается с помощью фильтров, закон Планка гласит, что черное тело излучает свет со спектром, определяемым по формуле:
где I ′ — световой поток определенной длины волны, λ , выраженный в единицах 1 м –3 ⋅с –1 . h — постоянная Планка , k — постоянная Больцмана , c — скорость света, а T emit — температура излучателя. Таким образом, световой поток с длинами волн в определенном диапазоне можно найти путем интегрирования по диапазону. Пиковая длина волны определяется температурой, T emit на основе закона смещения Вина :
где b — константа смещения Вина. Для большинства материалов максимальная температура, при которой излучатель может стабильно работать, составляет около 1800 °C. Это соответствует интенсивности, которая достигает пика при λ ≅ 1600 нм или энергии ~0,75 эВ. Для более разумных рабочих температур 1200 °C это падает до ~0,5 эВ. Эти энергии определяют диапазон запрещенных зон, необходимых для практических преобразователей TPV (хотя пиковая спектральная мощность немного выше). Традиционные фотоэлектрические материалы, такие как Si (1,1 эВ) и GaAs (1,4 эВ), существенно менее практичны для систем TPV, поскольку интенсивность спектра черного тела низка при этих энергиях для излучателей при реалистичных температурах.
Эффективность, термостойкость и стоимость — три основных фактора при выборе излучателя TPV. Эффективность определяется поглощенной энергией относительно входящего излучения. Высокотемпературная работа имеет решающее значение, поскольку эффективность увеличивается с рабочей температурой. По мере повышения температуры излучателя излучение черного тела смещается в сторону более коротких длин волн, что обеспечивает более эффективное поглощение фотоэлектрическими элементами.
Поликристаллический карбид кремния (SiC) является наиболее часто используемым излучателем для TPV-горелок. SiC термически стабилен до ~1700 °C. Однако SiC излучает большую часть своей энергии в длинноволновом режиме, что намного ниже энергии даже самых узкозонных фотоэлектрических элементов. Такое излучение не преобразуется в электрическую энергию. Однако не поглощающие селективные фильтры перед PV [20] или зеркала, нанесенные на заднюю сторону PV [21], могут использоваться для отражения длинных волн обратно к излучателю, тем самым повторно используя непреобразованную энергию. Кроме того, поликристаллический SiC недорог.
Вольфрам является наиболее распространенным тугоплавким металлом , который может использоваться в качестве селективного излучателя. [22] Он имеет более высокую излучательную способность в видимом и ближнем ИК-диапазоне от 0,45 до 0,47 и низкую излучательную способность от 0,1 до 0,2 в ИК-диапазоне. [23] Излучатель обычно имеет форму цилиндра с герметичным дном, которое можно считать полостью. Излучатель прикреплен к задней части теплового поглотителя, такого как SiC, и поддерживает ту же температуру. Излучение происходит в видимом и ближнем ИК-диапазоне, который может быть легко преобразован фотоэлектрическим модулем в электрическую энергию. Однако по сравнению с другими металлами вольфрам окисляется легче.
Оксиды редкоземельных элементов, такие как оксид иттербия (Yb 2 O 3 ) и оксид эрбия (Er 2 O 3 ), являются наиболее часто используемыми селективными излучателями. Эти оксиды излучают узкую полосу длин волн в ближней инфракрасной области, что позволяет адаптировать спектры излучения для лучшего соответствия характеристикам поглощения конкретного фотоэлектрического материала. Пик спектра излучения приходится на 1,29 эВ для Yb 2 O 3 и 0,827 эВ для Er 2 O 3 . В результате Yb 2 O 3 может использоваться в качестве селективного излучателя для кремниевых ячеек, а Er 2 O 3 — для GaSb или InGaAs. Однако небольшое несоответствие между пиками излучения и шириной запрещенной зоны поглотителя приводит к значительной потере эффективности. Селективное излучение становится значительным только при 1100 °C и увеличивается с температурой. Ниже 1700 °C селективная эмиссия редкоземельных оксидов довольно низкая, что еще больше снижает эффективность. В настоящее время эффективность в 13% достигнута с Yb 2 O 3 и кремниевыми фотоэлементами. В целом селективные излучатели имели ограниченный успех. Чаще всего фильтры используются с излучателями черного тела для пропускания длин волн, соответствующих запрещенной зоне фотоэлемента, и отражения несовпадающих длин волн обратно к излучателю.
Фотонные кристаллы позволяют точно контролировать свойства электромагнитных волн. Эти материалы приводят к образованию фотонной запрещенной зоны (PBG). В спектральном диапазоне PBG электромагнитные волны не могут распространяться. Разработка этих материалов позволяет в некоторой степени адаптировать их свойства излучения и поглощения, что позволяет создавать более эффективные конструкции излучателей. Селективные излучатели с пиками при более высокой энергии, чем пик черного тела (для практических температур TPV), позволяют использовать преобразователи с более широкой запрещенной зоной. Эти преобразователи традиционно дешевле в производстве и менее чувствительны к температуре. Исследователи из Sandia Labs предсказали высокую эффективность (34% излучаемого света преобразуется в электричество) на основе излучателя TPV, продемонстрированного с использованием вольфрамовых фотонных кристаллов. [24] Однако производство этих устройств сложно и нецелесообразно в коммерческом плане.
Ранние работы по TPV были сосредоточены на использовании кремния. Коммерческая доступность кремния, его низкая стоимость, масштабируемость и простота производства делают этот материал привлекательным кандидатом. Однако относительно широкая запрещенная зона Si (1,1 эВ) не идеальна для использования с излучателем черного тела при более низких рабочих температурах. Расчеты показывают, что Si PV возможны только при температурах, значительно превышающих 2000 К. Не было продемонстрировано ни одного излучателя, который мог бы работать при таких температурах. Эти инженерные трудности привели к поиску полупроводниковых PV с более узкой запрещенной зоной.
Использование селективных радиаторов с Si PV все еще возможно. Селективные радиаторы устранят фотоны высокой и низкой энергии, уменьшая вырабатываемое тепло. В идеале селективные радиаторы не будут испускать излучение за пределами полосы преобразователя PV, что значительно увеличит эффективность преобразования. Эффективные TPV с использованием Si PV не были реализованы.
Ранние исследования полупроводников с малой шириной запрещенной зоны были сосредоточены на германии (Ge). Ge имеет ширину запрещенной зоны 0,66 эВ, что позволяет преобразовывать гораздо большую долю входящего излучения. Однако плохая производительность наблюдалась из-за высокой эффективной электронной массы Ge. По сравнению с полупроводниками III-V , высокая эффективная электронная масса Ge приводит к высокой плотности состояний в зоне проводимости и, следовательно, к высокой собственной концентрации носителей. В результате диоды Ge имеют быстро затухающий «темновой» ток и, следовательно, низкое напряжение холостого хода. Кроме того, поверхностная пассивация германия оказалась сложной.
Фотоэлемент на основе антимонида галлия (GaSb), изобретенный в 1989 году, [25] является основой большинства фотоэлементов в современных системах TPV. GaSb — это полупроводник III-V с кристаллической структурой цинковой обманки . Элемент GaSb является ключевой разработкой благодаря своей узкой запрещенной зоне в 0,72 эВ. Это позволяет GaSb реагировать на свет с более длинными волнами, чем кремниевый солнечный элемент, обеспечивая более высокую плотность мощности в сочетании с искусственными источниками излучения. Солнечный элемент с эффективностью 35% был продемонстрирован с использованием двухслойного фотоэлемента с GaAs и GaSb, [25] установив рекорд эффективности солнечного элемента .
Изготовление фотоэлемента GaSb довольно просто. Пластины GaSb n-типа, легированные теллуром по Чохральскому, имеются в продаже. Диффузия цинка в паровой фазе осуществляется при повышенных температурах (~450 °C), что позволяет легировать p-тип. Передние и задние электрические контакты формируются с использованием традиционных методов фотолитографии , и наносится антибликовое покрытие. Эффективность оценивается в ~20% с использованием спектра черного тела 1000 °C. [26] Предел излучения для эффективности элемента GaSb в этой установке составляет 52%.
Антимонид арсенида индия и галлия (InGaAsSb) является полупроводниковым соединением III-V . (In x Ga 1−x As y Sb 1−y ) Добавление GaAs позволяет сузить запрещенную зону (от 0,5 до 0,6 эВ) и, следовательно, улучшить поглощение длинных волн. В частности, запрещенная зона была спроектирована до 0,55 эВ. С этой запрещенной зоной соединение достигло фотонно-взвешенной внутренней квантовой эффективности 79% с коэффициентом заполнения 65% для черного тела при 1100 °C. [27] Это было для устройства, выращенного на подложке GaSb методом металлоорганической парофазной эпитаксии (OMVPE). Устройства были выращены методами молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и жидкофазной эпитаксии (LPE). Внутренняя квантовая эффективность (IQE) этих устройств приближается к 90%, в то время как устройства, выращенные двумя другими методами, превышают 95%. [28] Самая большая проблема с ячейками InGaAsSb — это разделение фаз. Несоответствия состава по всему устройству ухудшают его производительность. Когда разделение фаз можно избежать, IQE и фактор заполнения InGaAsSb приближаются к теоретическим пределам в диапазонах длин волн вблизи энергии запрещенной зоны. Однако отношение V oc /E g далеко от идеала. [28] Современные методы производства фотоэлектрических элементов InGaAsSb дороги и коммерчески невыгодны.
Арсенид галлия индия (InGaAs) является полупроводниковым соединением III-V. Он может применяться двумя способами для использования в TPV. При согласовании решетки с подложкой InP, InGaAs имеет запрещенную зону 0,74 эВ, не лучше, чем GaSb. Устройства такой конфигурации были изготовлены с коэффициентом заполнения 69% и эффективностью 15%. [29] Однако для поглощения фотонов с большей длиной волны запрещенная зона может быть спроектирована путем изменения соотношения In к Ga. Диапазон запрещенных зон для этой системы составляет примерно от 0,4 до 1,4 эВ. Однако эти различные структуры вызывают напряжение с подложкой InP. Это можно контролировать с помощью градиентных слоев InGaAs с различным составом. Это было сделано для разработки устройства с квантовой эффективностью 68% и коэффициентом заполнения 68%, выращенного методом МЛЭ. [27] Это устройство имело ширину запрещенной зоны 0,55 эВ, достигнутую в соединении In 0,68 Ga 0,33 As. Это хорошо разработанный материал. InGaAs можно заставить идеально совпадать по решетке с Ge, что приводит к низкой плотности дефектов. Ge в качестве подложки имеет значительное преимущество перед более дорогими или более сложными в производстве подложками.
Четвертичный сплав InPAsSb выращивался как методами OMVPE, так и LPE. При согласовании решетки с InAs он имеет ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,3–0,55 эВ. Преимущества такой малой ширины запрещенной зоны не были подробно изучены. Поэтому ячейки, включающие InPAsSb, не были оптимизированы и пока не обладают конкурентоспособной производительностью. Самый длинный спектральный отклик изученной ячейки InPAsSb составил 4,3 мкм с максимальным откликом при 3 мкм. [28] Для этого и других материалов с малой шириной запрещенной зоны трудно достичь высокого IQE для длинных волн из-за увеличения рекомбинации Оже .
Материалы с квантовыми ямами PbSnSe/PbSrSe, которые можно выращивать методом МЛЭ на кремниевых подложках, были предложены для изготовления недорогих устройств TPV. [30] Эти полупроводниковые материалы IV-VI могут иметь ширину запрещенной зоны от 0,3 до 0,6 эВ. Их симметричная зонная структура и отсутствие вырождения валентной зоны приводят к низким скоростям рекомбинации Оже, обычно более чем на порядок меньшим, чем у сопоставимых полупроводниковых материалов III-V с запрещенной зоной.
TPV обещают эффективные и экономически жизнеспособные системы электропитания как для военных, так и для коммерческих целей. По сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии, TPV с горелкой имеют небольшие выбросы NOx и практически бесшумны. Солнечные TPV являются источником возобновляемой энергии без выбросов. TPV могут быть более эффективными, чем фотоэлектрические системы, благодаря переработке непоглощенных фотонов. Однако потери на каждом этапе преобразования энергии снижают эффективность. Когда TPV используются с источником горелки, они обеспечивают энергию по требованию. В результате хранение энергии может не потребоваться. Кроме того, из-за близости фотоэлектрических элементов к источнику излучения TPV могут генерировать плотность тока в 300 раз больше, чем обычные фотоэлектрические элементы.
Динамика поля боя требует портативной энергии. Обычные дизельные генераторы слишком тяжелы для использования в полевых условиях. Масштабируемость позволяет TPV быть меньше и легче обычных генераторов. Кроме того, TPV имеют мало выбросов и бесшумны. Многотопливная работа — еще одно потенциальное преимущество.
Исследования в 1970-х годах потерпели неудачу из-за ограничений PV. Однако фотоэлемент GaSb привел к возобновлению усилий в 1990-х годах с улучшенными результатами. В начале 2001 года JX Crystals поставила зарядное устройство на основе TPV для армии США , которое производило 230 Вт, работая на пропане . Этот прототип использовал излучатель SiC, работающий при 1250 °C, и фотоэлементы GaSb и был примерно 0,5 м в высоту. [31] Источник питания имел КПД 2,5%, рассчитанный как отношение вырабатываемой мощности к тепловой энергии сжигаемого топлива. Это слишком мало для практического использования на поле боя. Ни один портативный источник питания TPV не достиг войсковых испытаний.
Преобразование избыточной электроэнергии в тепло для долгосрочного хранения в больших объемах изучается различными компаниями, которые утверждают, что затраты могут быть намного ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов . [13] Графит может использоваться в качестве носителя для хранения, с расплавленным оловом в качестве теплопередачи при температурах около 2000°. См. LaPotin, A., Schulte, KL, Steiner, MA et al. Термофотоэлектрическая эффективность 40%. Nature 604, 287–291 (2022). Термофотоэлектрическая эффективность 40%.
Системы космической генерации энергии должны обеспечивать постоянную и надежную мощность без большого количества топлива. В результате идеальными являются солнечное и радиоизотопное топливо (чрезвычайно высокая плотность мощности и длительный срок службы). Для каждого из них были предложены TPV. В случае солнечной энергии орбитальные космические аппараты могут быть лучшими местами для больших и потенциально громоздких концентраторов, необходимых для практических TPV. Однако соображения веса и неэффективности, связанные с более сложной конструкцией TPV, защищенные обычные PV продолжают доминировать.
Выход изотопов — тепловая энергия. В прошлом использовалось термоэлектричество (прямое преобразование тепла в электричество без движущихся частей), поскольку эффективность TPV была меньше, чем ~10% термоэлектрических преобразователей. [32] Двигатели Стирлинга считались слишком ненадежными, несмотря на эффективность преобразования >20%. [33] Однако с недавними достижениями в области фотоэлектрических систем с малой запрещенной зоной, TPV становятся все более перспективными. Был продемонстрирован радиоизотопный преобразователь TPV с эффективностью 20%, в котором используется вольфрамовый излучатель, нагретый до 1350 К, с тандемными фильтрами и фотоэлектрическим преобразователем InGaAs с запрещенной зоной 0,6 эВ (охлажденным до комнатной температуры). Около 30% потерянной энергии приходилось на оптический резонатор и фильтры. Оставшаяся часть была обусловлена эффективностью фотоэлектрического преобразователя. [33]
Низкотемпературная работа преобразователя имеет решающее значение для эффективности TPV. Нагрев преобразователей PV увеличивает их темновой ток, тем самым снижая эффективность. Преобразователь нагревается излучением от излучателя. В наземных системах разумно рассеивать это тепло без использования дополнительной энергии с помощью радиатора . Однако космос является изолированной системой, где радиаторы непрактичны. Поэтому крайне важно разрабатывать инновационные решения для эффективного отвода этого тепла. Оба варианта представляют собой существенные проблемы. [32]
TPV могут обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в дома, не подключенные к электросети. Традиционные PV не обеспечивают электроэнергией в зимние месяцы и ночью, в то время как TPV могут использовать альтернативные виды топлива для увеличения производства электроэнергии исключительно на солнечной энергии.
Наибольшим преимуществом генераторов TPV является когенерация тепла и электроэнергии. В холодном климате он может функционировать как обогреватель/печь и как генератор электроэнергии. Компания JX Crystals разработала прототип отопительной печи/генератора TPV, которая сжигает природный газ и использует излучатель SiC, работающий при температуре 1250 °C, и фотоэлемент GaSb для выработки 25 000 БТЕ /ч (7,3 кВт тепла), одновременно генерируя 100 Вт (эффективность 1,4%). Однако затраты делают это непрактичным.
Объединение нагревателя и генератора называется комбинированным производством тепла и электроэнергии (CHP). Было предложено много сценариев TPV CHP, но исследование показало, что генератор, использующий кипящий охладитель, является наиболее экономически эффективным. [34] Предлагаемый CHP будет использовать ИК-излучатель SiC, работающий при 1425 °C, и фотоэлементы GaSb, охлаждаемые кипящим охладителем. TPV CHP будет вырабатывать 85 000 БТЕ/ч (25 кВт тепла) и генерировать 1,5 кВт. Расчетная эффективность составит 12,3% (?)(1,5 кВт/25 кВт = 0,06 = 6%), требуя инвестиций или 0,08 €/кВт·ч, предполагая 20-летний срок службы. Расчетная стоимость других не-TPV CHP составляет 0,12 €/кВт·ч для газового двигателя CHP и 0,16 €/кВт·ч для топливного элемента CHP. Эта печь не была запущена в серийное производство, поскольку рынок сбыта не считался достаточно большим.
TPV были предложены для использования в рекреационных транспортных средствах. Их способность использовать несколько источников топлива делает их интересными, поскольку появляются более устойчивые виды топлива. Бесшумная работа TPV позволяет им заменять шумные обычные генераторы (например, в «тихие часы» в кемпингах национальных парков). Однако температуры излучателя, необходимые для практической эффективности, делают TPV в этом масштабе маловероятными. [35]
