Tryck "Enter" för att gå vidare till kommentarer

En ny värmemotor utan rörliga delar är lika effektiv som en ångturbin

Ingenjörer vid MIT och National Renewable Energy Laboratory (NREL) har designat en värmemotor utan rörliga delar. Deras nya demonstrationer visar att den omvandlar värme till elektricitet med över 40 procents effektivitet – en prestanda bättre än traditionella ångturbiner.

Värmemotorn är en termofotovoltaisk (TPV) cell, som liknar en solpanels fotovoltaiska celler, som passivt fångar högenergifotoner från en vit värmekälla och omvandlar dem till elektricitet. Teamets design kan generera elektricitet från en värmekälla på mellan 1 900 till 2 400 grader Celsius, eller upp till cirka 4 300 grader Fahrenheit.

Forskarna planerar att införliva TPV-cellen i ett termiskt batteri i nätskala. Systemet skulle absorbera överskottsenergi från förnybara källor som solen och lagra den energin i kraftigt isolerade banker av het grafit. När energin behövs, till exempel under mulna dagar, skulle TPV-celler omvandla värmen till el och skicka energin till ett elnät.

Med den nya TPV-cellen har teamet nu framgångsrikt demonstrerat huvuddelarna av systemet i separata småskaliga experiment. De arbetar med att integrera delarna för att demonstrera ett fullt fungerande system. Därifrån hoppas de kunna skala upp systemet för att ersätta fossilbränsledrivna kraftverk och möjliggöra ett helt kolfritt elnät, helt försörjt av förnybar energi.

Hoppa gapet

Mer än 90 procent av världens el kommer från värmekällor som kol, naturgas, kärnenergi och koncentrerad solenergi. I ett sekel har ångturbiner varit den industriella standarden för att omvandla sådana värmekällor till elektricitet.

I genomsnitt omvandlar ångturbiner på ett tillförlitligt sätt cirka 35 procent av en värmekälla till elektricitet, där cirka 60 procent representerar den högsta verkningsgraden för någon värmemotor hittills. Men maskineriet är beroende av rörliga delar som är temperaturbegränsade. Värmekällor högre än 2 000 grader Celsius, som Henrys föreslagna termiska batterisystem, skulle vara för varma för turbiner.

Under de senaste åren har forskare undersökt alternativ i fast tillstånd – värmemotorer utan rörliga delar, som potentiellt kan fungera effektivt vid högre temperaturer.

Termofotovoltaiska celler erbjöd en utforskande väg mot solid-state värmemotorer. Precis som solceller kan TPV-celler tillverkas av halvledande material med ett visst bandgap – gapet mellan ett material valensband och dess ledningsband. Om en foton med tillräckligt hög energi absorberas av materialet, kan den sparka en elektron över bandgapet, där elektronen sedan kan leda, och därigenom generera elektricitet – utan att flytta rotorer eller blad.

Hittills har de flesta TPV-celler bara nått verkningsgrader på runt 20 procent, med rekordet på 32 procent, eftersom de har tillverkats av material med relativt låga bandgap som omvandlar fotoner med lägre temperatur och låg energi och därför omvandlar energi mindre effektivt .

Fångar ljus

I sin nya TPV-design försökte Henry och hans kollegor fånga fotoner med högre energi från en värmekälla med högre temperatur och därigenom omvandla energi mer effektivt. Teamets nya cell gör det med material med högre bandgap och flera korsningar, eller materiallager, jämfört med befintliga TPV-designer.

Cellen är tillverkad av tre huvudområden: en legering med högt bandgap, som sitter över en legering med något lägre bandgap, under vilken är ett spegelliknande lager av guld. Det första lagret fångar en värmekällas fotoner med högst energi och omvandlar dem till elektricitet, medan fotoner med lägre energi som passerar genom det första lagret fångas upp av det andra och omvandlas för att lägga till den genererade spänningen. Alla fotoner som passerar genom detta andra skikt reflekteras sedan av spegeln, tillbaka till värmekällan, snarare än att absorberas som spillvärme.

Teamet testade cellens effektivitet genom att placera den över en värmeflödessensor – en anordning som direkt mäter värmen som absorberas från cellen. De exponerade cellen för en högtemperaturlampa och koncentrerade ljuset på cellen. De varierade sedan glödlampans intensitet, eller temperatur, och observerade hur cellens energieffektivitet – mängden energi den producerade, jämfört med värmen den absorberade – förändrades med temperaturen. Över ett område på 1 900 till 2 400 grader Celsius bibehöll den nya TPV-cellen en effektivitet på cirka 40 procent.

Cellen i experimentet är ungefär en kvadratcentimeter. För ett termiskt batterisystem i nätskala, föreställer sig Henry att TPV-cellerna skulle behöva skalas upp till cirka 10 000 kvadratfot (nästan en fjärdedel av en fotbollsplan) och skulle fungera i klimatkontrollerade lagerhus för att hämta ström från enorma banker av lagrad solenergi. energi. Han påpekar att det finns infrastruktur för att tillverka storskaliga solceller, som också skulle kunna anpassas för att tillverka TPV.

Tekniken är säker, miljövänlig i sin livscykel och kan ha en enorm inverkan på att minska koldioxidutsläppen från elproduktion.

Denna forskning stöddes delvis av det amerikanska energidepartementet.

Var den första att kommentera

Kommentera

%d bloggare gillar detta: