По данным исследования Мичиганского университета, приближаясь к теоретическому максимальному КПД, устройства для преобразования тепла в электричество приближаются к практическому использованию в сети.

Тепловые батареи могут периодически накапливать возобновляемую энергию в часы пиковой производительности, полагаясь на тепловую версию солнечных элементов , которая позже преобразует ее в электричество.

«Поскольку мы включаем в сеть более высокие доли возобновляемых источников энергии для достижения целей по декарбонизации, нам нужны более низкие затраты и более длительные сроки хранения энергии, поскольку энергия, вырабатываемая солнечной и ветровой энергией, не совпадает при использовании энергии», — Андрей Ленерт, доцент UM химического машиностроения и автор исследования, недавно опубликованного в журнале Joule .

Термофотоэлектрические элементы работают аналогично фотоэлектрическим элементам, широко известным как солнечные элементы. Оба преобразуют электромагнитное излучение в электричество, но термофотогальваника использует инфракрасные фотоны с более низкой энергией, а не фотоны с более высокой энергией видимого света.

Исследовательская группа сообщает, что их новое устройство имеет эффективность преобразования энергии 44% при температуре 1435°C, что находится в пределах целевого диапазона для существующих высокотемпературных накопителей энергии (1200–1600°C). Он превосходит 37%, достигнутые предыдущими конструкциями в этом диапазоне температур.

«Это разновидность батареи, но очень пассивная. Вам не нужно добывать литий, как это происходит с электрохимическими элементами, а это значит, что вам не нужно конкурировать с рынком электромобилей. В отличие от перекачиваемой воды для хранения гидроэлектрической энергии , вы можете разместить его где угодно, и вам не понадобится источник воды поблизости», — сказал Стивен Форрест, заслуженный профессор электротехники Университета Питера А. Франкена в UM и один из авторов исследования.

В тепловой батарее термофотоэлектрические элементы будут окружать блок нагретого материала с температурой не менее 1000°C. Он может достичь этой температуры, пропуская электричество от ветряной или солнечной электростанции через резистор или поглощая избыточное тепло от солнечной тепловой энергии или производства стали, стекла или бетона.

«По сути, использование электричества для нагрева чего-либо — это очень простой и недорогой метод хранения энергии по сравнению с литий-ионными батареями. Он дает вам доступ ко множеству различных материалов, которые можно использовать в качестве носителя для тепловых батарей», — сказал Ленерт.

Нагретый материал хранения излучает тепловые фотоны с различными энергиями. При температуре 1435°C около 20-30% из них имеют достаточно энергии для выработки электроэнергии в термофотоэлектрических элементах команды. Ключом к этому исследованию была оптимизация полупроводникового материала , который захватывает фотоны, для расширения его предпочтительных энергий фотонов и одновременного согласования с доминирующими энергиями, создаваемыми источником тепла.

Но источник тепла также производит фотоны выше и ниже той энергии, которую полупроводник может преобразовать в электричество. Без тщательного проектирования они были бы потеряны.

Чтобы решить эту проблему, исследователи встроили тонкий слой воздуха в термофотоэлектрический элемент сразу за полупроводником и добавили золотой отражатель за воздушным зазором — структуру, которую они называют воздушным мостом. Эта полость помогала улавливать фотоны с нужными энергиями, чтобы они попадали в полупроводник, а остальные отправляли обратно в теплоаккумулирующий материал, где у энергии был еще один шанс переизлучиться в виде фотона, который полупроводник мог захватить.

«В отличие от солнечных элементов, термофотоэлектрические элементы могут восстанавливать или перерабатывать бесполезные фотоны», — сказал Босун Рой-Лайинде, докторант химического машиностроения УМ и первый автор исследования.

Недавнее исследование показало, что соединение двух воздушных мостов улучшает конструкцию, увеличивая как дальность фотонов, преобразуемых в электричество, так и полезный температурный диапазон для тепловых батарей.

«Мы еще не достигли предела эффективности этой технологии. Я уверен, что в не столь отдаленном будущем мы превысим 44% и достигнем 50%», — сказал Форрест, который также является членом команды Пола Дж. Профессор инженерных наук Гебеля, профессор электротехники и информатики, материаловедения и инженерии, а также физики.

Команда подала заявку на патентную защиту при содействии UM Innovation Partnerships и ищет партнеров для вывода технологии на рынок.