Витая в электронных облаках
В 1970-е в Советском Союзе были разработаны и выпущены термоэлектрические генераторы, функционирующие на энергии ядерного распада изотопов. Российские конструкторы создали РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы), в которых использовали элементы Пельтье - цепочки термопар. Такие элементы имеют невысокую эффективность (что объясняется паразитным обратным переносом тепла через спаи термопар), но при обилии изотопов это не критично.
Термионика
Существует и другой способ прямого преобразования тепла в электричество, исследованный в 1960-х, на заре космического века. За рубежом он получил название «термионика», а в нашей стране - термоэлектричество. В вакуумном термионном устройстве электроны испаряются с раскалённого катода и улавливаются холодным анодом, в результате чего генерируется электрический ток.
Главное достоинство термоэлектрического преобразователя - отнюдь не КПД, хотя и он был неплохим (на уровне 10%), а высокая удельная мощность - порядка десяти ватт на каждый квадратный сантиметр электрода. Эта особенность позволяла создавать компактные и лёгкие источники питания для космической аппаратуры, что особенно важно в случаях межпланетных путешествий в дальние уголки солнечной системы, где мало света для нормальной работы солнечных батарей.
После закрытия в 1973 году американской программы термионика оказалась в опале и обрела репутацию отвергнутой технологии, отжившей вместе с электронными лампами. Тем не менее в 2015-м нашлись инноваторы, стремящиеся возродить термионику с помощью новых достижений в материаловедении и современных производственных технологий. Выпускник Стэнфордского университета Джаред Шваде основал компанию Spark Thermionics. Она не ставит космических целей, но надеется выйти на массовый рынок. Например, во многих индивидуальных домах используются газовые водонагреватели. С точки зрения термодинамики они не слишком эффективны: высокопотенциальное тепло (температура пламени доходит до 1500 °C и выше) используется для нагрева воды с 20 до 80 °C. Термионное устройство, в котором катод должен раскаляться докрасна, может производить электричество, а вода для дома будет нагреваться, охлаждая анод.
Интерес к прямому преобразованию тепла в электричество, усиливающийся потребностью в промышленных накопителях энергии на фоне распространения ВИЭ, распалил ожидания инвесторов, которые выделили компании суммы на исследования.
Стоит отметить, что источниками тепла для термоэлектрического преобразователя могут служить солнце, реакции горения, радиоактивного распада и даже электрическая энергия, если речь идёт о высокотемпературных тепловых накопителях.
Термофотовольтаика
Параллельно развивается направление фотоэлектрической генерации, работающей в инфракрасном диапазоне. Ещё в 1980-е Ричард Свансон продемонстрировал возможность получить 29-процентную эффективность на кремниевом полупроводниковом преобразователе. С тех пор появились многопереходные фотоэлементы на полупроводниках с широкой запрещённой зоной, что позволило достичь КПД свыше 40%. Это значение недавно подтвердили исследователи из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США.
Величина КПД в 40% критична по той простой причине, что новые термофотоэлектрические генераторы без движущихся частей в принципе могут заменить паросиловые и газотурбинные электростанции.
Стоит отметить, что порядка 75% энергии теплового излучения приходится на фотоны, энергии которых не хватает для того, чтобы носители заряда могли преодолеть широкую запрещённую зону таких полупроводников, как арсенид галлия. Применение же материалов с узкой запрещённой зоной малоэффективно из-за снижающегося напряжения ячейки и, как следствие, увеличения омических потерь.
Разные исследователи пытаются решить эту проблему по-разному. Одни пробуют создать селективные излучатели, то есть покрыть катоды наноструктурными фильтрами, которые не выпустят наружу тепловые волны ненужного диапазона. Другие - нанести фильтры на поверхность фотоприёмника, чтобы такие волны сразу отражались назад. Третий подход - разместить отражатели за фотоэлектрическими преобразователями.
Столь высокие значения эффективности, как 40%, получены при малом расстоянии между источником излучения (разогретым докрасна металлом или графитом) и фотоэлектрической панелью, снабжённой отражателем с тыльной стороны. Этот отражатель возвращает неиспользованную тепловую энергию её источнику. В отличие от далёкого Солнца, которое считается абсолютно чёрным телом (как на него ни свети прожектором или лазером, яркость Солнца не изменится), находящийся рядом излучатель тепла способен принять обратно значительную долю энергии. Высокий КПД получается именно благодаря её возврату и повторному использованию.
Интересную закономерность обнаружили учёные из Мичиганского университета. Они рассчитали, что небольшим улучшением отражательной способности тыльного зеркального слоя можно значительно поднять КПД всей системы. «При 95-процентной отражающей способности теоретический предел КПД ячейки равен 47%, а при 100-процентной он достигает 59%», - прокомментировал доцент кафедры химических технологий Андрей Ленерт. В университете отрабатывают оригинальные отражатели, отделённые от полупроводниковой панели воздушной прослойкой.
А теперь вместе
И, наконец, концепцию синтеза обеих технологий исследуют на факультете солнечной энергетики Мадридского технического университета. Доцент кафедры электронной техники и прикладной физики Алехандро Датас пояснил, что речь идёт о термофотовольтаике, усиленной термионикой. Первая обладает высокой эффективностью, а вторая - высокой удельной мощностью.
Теплоизлучатель (катод) располагается на малом расстоянии (менее микрометра) от термофотоэлектрической ячейки, которая лишена фронтального электрода и служит анодом. Через вакуумный зазор проходят электроны и тепловые лучи, но в нём нет никакого фононного (контактного) теплопереноса. Попадающие на поверхность полупроводника электроны рекомбинируют в p-слое с дырками, образующимися под воздействием тепловых фотонов. Получается беспроводное электрическое соединение, так что фронтальный электрод ячейке не нужен. И поскольку тонкая электродная сетка исключена, омические потери энергии сводятся к минимуму. Рабочие напряжения генераторов складываются.
Тепловые лучи, прошедшие сквозь толщу полупроводника, отражаются обратно от зеркального металлического слоя, который заодно служит электродом термофотоэлектрической ячейки.
Для проверки новой концепции уже построен лабораторный макет с использованием вольфрамового катода и арсенид-индиевого фотоэлектрического элемента, расположенного на микроскопическом расстоянии от него. Катод разогревается лазером. Учёные исследуют поведение гибридной системы, а оно выглядит весьма многообещающе. В частности, эта система позволяет снизить температуру теплового излучателя на несколько сотен градусов по сравнению с отдельными составляющими ячейками.
Читайте другие наши материалы
