Vědci z Massachusettského technologického institutu představili nový termofotovoltaický článek (TPV), který přeměňuje teplo na elektřinu s účinností vyšší než 40 %. To je výkon téměř srovnatelný s tradičními elektrárnami s parní turbínou. Články mohou najít uplatnění v takzvaných „termálních bateriích“, produkujících elektrickou energii bez jakýchkoli pohybujících se součástí.
Termofotovoltaické články fungují tak, že zahřívají polovodičové materiály na teplotu, při které se výrazně zvyšuje energie fotonů. Při dostatečně vysoké energii mohou fotony vymrštit elektron přes „pásmovou mezeru“, čímž dojde k výrobě elektrické energie. Doposud dosahovaly články TPV pouze 32% účinnosti, protože pracovaly při nižších teplotách.
Termofotovoltaický článek
Nová konstrukce, vyvinutá vědci z Massachusettského technologického institutu a Národní laboratoře pro obnovitelnou energii, odebírá energii ze zdrojů tepla o teplotě 1900 až 2400 stupňů Celsia. Využívá k tomu kovové slitiny s „vysokou propustností“, které jsou umístěné nad slitinou s mírně nižší pásmovou propustností.
Vrstva s vysokou propustností zachycuje ze zdroje tepla fotony s nejvyšší energií a přeměňuje je na elektřinu, zatímco fotony s nižší energií procházejí první vrstvou a zvyšují napětí. Všechny fotony, které projdou oběma vrstvami, se odrážejí zrcadlem zpět ke zdroji tepla, aby se zabránilo plýtvání energií.
Základ termální baterie
Při měření účinnosti pomocí snímače tepelného toku vědci zjistili, že se výkon mění v závislosti na teplotě. V rozmezí 1 900 až 2 400 stupňů Celsia vyráběl termofotovoltaický článek elektřinu s účinností přibližně 40 %. Srovnatelné parní turbíny mohou dosahovat stejné účinnosti, ale jsou z konstrukčního hlediska mnohem složitější a omezené na nižší teploty.
„Jednou z výhod polovodičových transformátorů energie je, že mohou pracovat při vyšších teplotách s nižšími náklady na údržbu, protože nemají žádné pohyblivé části,“ vysvětluje profesor Asegun Henry. „Prostě tam jen tak sedí a spolehlivě vyrábějí elektřinu.“
V termální baterii by tento systém mohl absorbovat přebytečnou energii z obnovitelných zdrojů, jako je slunce, a ukládat ji do izolovaných baterií žhavého grafitu. V případě potřeby (například během dnů se zataženou oblohou či v noci) by pak termofotovoltaické články mohly toto teplo přeměnit na elektřinu a poslat ji do elektrické sítě.
Zatím jen malé měřítko
Experimentální článek měl pouhý centimetr čtvereční, takže by ho vědci museli zvětšit na zhruba 930 metrů čtverečních, aby dokázal dodávat energii na použitelné úrovni. Dobrou zprávou je, že již existuje technologie pro vytvoření článků v takovém měřítku.
„Termofotovoltaické články byly posledním klíčovým krokem k prokázání skutečnosti, že termální baterie jsou životaschopným konceptem,“ konstatuje profesor Henry. „Je to naprosto zásadní krok na cestě k rozšíření obnovitelných zdrojů energie a k dosažení plně dekarbonizované sítě.“