Termofotovoltiniai prietaisai

Puslaidininkiniai prietaisai, verčiantys šiluminę spinduliuotę elektra, gali pasirodyti esą tinkamiausi atkampių kaimų apšvietimui ar netgi automobilių varikliams.

Fotovoltiniai prietaisai paprastai yra naudojami verčiant saulės šviesą elektra. Matomosios spektro dalies spinduliuotė, kaip visiems tai gerai žinoma, yra visur, ji nemokama ir neteršia aplinkos. Bet fotovoltiniai prietaisai gali paversti naudinga elektra ne tik matomą, bet ir infraraudonąją spinduliuotę, pavyzdžiui, tą, kurią spinduliuoja įkaitęs nafta maitinamas degiklis.

Ši mažai žinoma sritis, vadinama termofotovoltaika, tam tikrais atvejais gali duoti svarių privalumų. Termofotovoltinis generatorius dirbs ir naktį, irr tuomet, kai dangus yra apsiniaukęs, todėl jam nereikės jokio elektros energiją kaupiančio akumuliatoriaus. Ši technologija kartais yra priimtinesnė už standartinius elektros energijos generavimo, deginant skystąjį kurą, būdus. Jos efektyvumas kure sukauptos energijos procentas paverčiamas elektra gali būti žymiai didesnis negu gamtinėmis dujomis ar kitu iškasamu kuru maitinamo generatoriaus efektyvumą. Be to, puslaidininkinė termofotovoltinė sistema gali būti sukonstruota taip, kad jos sąlygojama aplinkos tarša būtų kuo mažesnė. Galiausiai, kadangi tokioje sistemoje nebus jokių judančių dalių, sistema veiks tyliai ir patikimai, neereikalaudama didesnės priežiūros.

Nepaisant visų šių privalumų, termofotovoltinė technologija dar negali pasigirti tokia sėkme, kokia lydi saulės fotovoltinius elementus, šiandien užimančius nedidelį specializuotą energijos rinkos sektorių. Bet šis skirtumas gali netrukus išnykti. Technologija, besiremianti tais pačiais moksli niais tyrimais, kurie davė pa

asauliui saulės elementus, stojasi ant kojų.

Termofotovoltinių prietaisų idėjos užuomazgas galima buvo rasti jau prieš 40 metų. Pierre R. Agrain iš Paryžiaus Ecole Normale Superieure 1956 m. skaitytų paskaitų cikle pirmasis apibrėžė kai kurias pagrindines koncepcijas. Septintojo dešimtmečio pradžioje JAV armijos tyrimų centre Fort Monmouthe buvo sukurtas pirmasis žinomas termofotovoltinio generatoriaus prototipas. Tačiau jo efektyvumas nesiekė 1 procento. Norint pagaminti generatorių, kurį galėtų naudoti veikianti armija, reikėjo 10-15 proc. dydžio efektyvumo.

Ir aštuntajame, ir devintajame dešimtmetyje tyrimai tęsėsi, dėl to pavyko kiek pagerinti generatorių parametrus. Bet ankstyvųjų sistemų komponentai taip ir nesugebėdavo perduoti pakankamai šilumos ten, kur infraraudonoji spinduliuotė buvo verčiama elektra. Neseniai atsirado naujos medžiagos, kurios leido iškart perkelti termofotovoltinius prietaisus iš mokslinių tyrimų į konstravimo darbų kategoriją.
Komercinis debiutas

Termofotovoltaika netrukus turėtų pasiekti komercinę rinką. Viena JAAV šiaurės vakaruose įsikūrusi kompanija ruošiasi pardavinėti termofotovoltinius generatorius, maitinančius jachtų elektros įrangą. Tarp kitų kuriamų prietaisų paminėtinos mažos energijos jėgainės, skirtos atkampioms vietovėms arba kariniams daliniams. Ši technologija taip pat gali būti naudojama hibridiniuose elektromobiliuose, kuriuose elektros generatorius papildo vidaus degimo variklį. Galiausiai termofotovoltiniai prietaisai galėtų generuoti ir megavatines elektros galias, tuo papildydami energetikų arsenalą ir leisdami geriau panaudoti energetikoje ir daugelyje kitų pramonės procesų veltui dingstančią šilumą.

Prieš iš šiluminės spinduliuotės gaunant elektrą, reikia sukurti keletą funkcinių elementų. Šilumos ša
altinį reikia sujungti su radiatoriumi, spinduliuojančiu infraraudonąją spinduliuotę pageidaujamame bangos ilgių diapazone. Po to yra reikalingas puslaidininkinis prietaisas, sudarytas iš daugelio vienas su kitu sujungtų elementų, gebąs šiuos pasirinktus bangos ilgius paversti elektra, kuri vėliau perduodama į grandinę, kurioje jai teks atlikti kokį nors naudingą darbą, pavyzdžiui, maitinti laive stovintį šaldytuvą. Galiausiai tam, kad termofotovoltinė sistema būtų tikrai efektyvi, reikia sugebėti vienąkart nepanaudotą energiją vėl nukreipti į radiatorių. Kitais atvejais ši likutinė energija yra naudojama kitiems tikslams, pavyzdžiui, kambarių šildymui.

1 pav. Generatorius (nuotrauka ir diagrama) susideda iš degiklio, kuris sujungia kurą ir orą gauti šilumai, ir infraraudonosios spinduliuotės radiatoriaus, apsupto termofotovoltinio konverterio celėmis su aušinimo plokštėmis. Užsidegus kurui, radiatorius įkaista iki 12500C ar daugiau. Po to 48 galio stibido celės, sujungtos nuosekliai, pakeičia radiatoriaus infraraudonosios spinduliuotės energiją elektros galia. Tuo pačiu metu dalis elektros srovės įjungia ventiliatorių, kurio pučiamas oras aušina termofotovoltines celes. Generatoriaus pagaminta perteklinė elektros galia perduodama į bateriją vėlesniam naudojimui. Esant optimaliai darbo temperatūrai, ši grandinė gali sukurti 30 V galią. Perteklinė šiluma gali būti panaudota patalpos šildymui.

Termofotovoltinių sistemų šilumos šaltiniais gali būti iškasamojo kuro degikliai, saulės šviesa, branduoliniai reaktoriai ir daug kitų. Praktiškai visos dabar kuriamos sistemos naudoja iškasamąjį kurą. Koncentratoriuose sukaupta saulės šviesa irgi gali būti naudojama termofotovoltiniuose generatoriuose, bet ku

uriant kambario dydžio koncentratorius bei prietaisus, reikalingus energijos kaupimui nakčiai, dar nenueita toliau pirmųjų žingsnių. Daugelis ekspertų laikosi trečiosios alternatyvos branduolinės energijos, ne taip priimtinos vien dėl visuomenėje vyraujančios radioaktyvumo baimės. Taigi branduolinis variantas liktų tik labai specializuotiems taikymams, pavyzdžiui, nepilotuojamoms kosminėms stotims, skrisiančioms už saulės sistemos ribų, ten, kur saulės elementai bus beverčiai vien dėl to, kad ten jie nepasiekiami saulės šviesos.

Konstruodami šilumą gaminantį degiklį mokslininkai ėmė svarstyti, ar nepasinaudoti iš metalinio tinklo ar keramikos pagamintomis talpomis, pramonėje naudojamomis džiovinant popierių, rašalą, dažus ar grūdus. Jų paviršiaus plotas didelis, o pasiekiama temperatūra yra artima reikalingai (per 1000oC).

Radiatorių reikia todėl, kad be jų puslaidininkinis šilumos energiją elektra verčiantis elementas negali efektyviai naudoti degiklio sukurtą infraraudonosios spinduliuotės energiją. Keitikliai efektyviai dirba tik tam tikrame bangos ilgių diapazone, o liepsnos skleidžiama šiluma yra perduodama nenuspėjamai kintančiais bangų ilgiais ir intensyvumais (todėl, kad liepsnai didelę įtaką daro oro srovės ir aplinkos temperatūros pokyčiai). Radiatoriai transformuoja turimą šilumos energiją stabilizuodami šiluminės spinduliuotės spektrą ir intensyvumą.

Radiatorius gali būti plokščias arba apskritas arba jį gali sudaryti plonų skaidulų matrica. Iterbio, erbio, holmio ir kitų retųjų žemių oksidai leidžia pagaminti radiatorius, spinduliuojančius palyginti siauroje bangos ilgių juostoje, o silicio karbidas, atvirkščiai, spinduliuoja labai platų spektrą.

2 pav. Konverterio ce

elė pakeičia šilumą elektra, kai infraraudonosios spinduliuotės atitinkamos energijos fotonai prasiskverbia pro celę šalia dviejų skirtingų puslaidininkinio kristalo sričių susikirtimo. Kai fotonas susiduria su atomu, jis išmuša elektroną ir palieka skylę. Elektronas persikelia į n-tipo sluoksnį (kuriame yra daugiau elektronų negu skylių), o skylė persikelia į p-tipo sluoksnį (kuriame yra daugiau skylių negu elektronų). Paskui elektronas pasiekia elektrinį celės kontaktą ir juda išorine grandine, kol atsiduria p-tipo sluoksnyje, kuriame rekombinuoja su skyle. Jeigu fotonų energija mažesnė negu reikalaujama energija arba draustinių energijų tarpas, jis atsispindi nuo kvarcinio apsauginio ekrano ir sugrįžta į radiatorių.

Konstruodami keitiklį mokslininkai pasirinko puslaidininkius, kurie geriausiai atitiktų radiatoriaus spinduliuojamą infraraudonojo spektro dalį. Į tą dalį patenkantys bangų ilgiai maždaug atitinka tokią energiją, kuri reikalinga išlaisvinant puslaidininkinio keitiklio kristale esančius elektronus. Nejudrūs elektronai puslaidininkyje užima taip vadinamą valentinę juostą, atitinkančią išorinių sluoksnių surištųjų elektronų energijas. Valentinėje juostoje esantys elektronai judėti kristalu negali. Kai atomas sugeria tinkamą energiją turintį infraraudonąjį fotoną, elektronas yra permetamas iš valentinės juostos į laidumo juostą, kur jis jau gali dalyvauti elektros srovėje. (Fotonas yra elektromagnetinės energijos vienetas arba kvantas. Kvantų mechanika tvirtina, kad elektromagnetinio lauko energija pasireiškia ir kaip banga, ir kaip dalelė, o fotono energiją nusako atitinkamos bangos ilgis.) Fotono energija, kuri yra reikalinga elektrono perkėlimui iš valentinės juostos į laidumo juostą, yra vadinama draustinių energijų tarpu ir yra matuojama elektronvoltais.

Kartą patekęs į laidumo juostą, elektronas patenka į ribą tarp dviejų besiskiriančių viena nuo kitos puslaidininkio sričių. Be to, viena kryptimi judėti jam visuomet yra lengviau nei kita, todėl neigiamai įkrauti elektronai susikaupia vienoje sandūros pusėje ir ten atsiranda neigiamas elektros potencialas, sukuriantis fotovoltiniame elemente elektros srovę. Kiekvienas keitiklis galios padidinimui yra sudarytas iš daug atskirų elementų, kurie yra vienas su kitu susijungę.

Atsiradus tobulesnėms keitikliams skirtoms medžiagoms, inžinieriams pavyko pagerinti elektrinę išeigą. Dabar jie gali rinktis keitiklius pagamintus iš tokių medžiagų, kurių draustinių energijų tarpai geriausiai atitinka radiatoriaus spinduliuojamų bangų ilgius. Ankstesniais metais didžiausia technologijos tobulinimo kliūtimi kaip tik ir buvo tinkamo radiatoriaus ir keitiklio derinio stoka.

3 pav. Fotonų radiatoriai spinduliuoja arba siaurajame bangos ilgių ruože (selektyvieji), arba platesniame (plačiajuosčiai). Selektyvieji radiatoriai yra gaminami iš retųjų žemių medžiagų.

Pirmosios kartos termofotovoltiniuose generatoriuose buvo naudojami siaurą bangos ilgių ruožą spinduliuojantys radiatoriai. Iterbio oksido radiatoriai buvo derinami su puslaidininkiniais keitikliais iš silicio, kurio draustinių energijų tarpas yra lygus 1,14 eV. Selektyvus radiatorius, spinduliuojantis siaurą bangos ilgių diapazoną, teoriškai turėtų būti efektyvesnis už platų spektrą spinduliuojančias (plačiajuostes) konstrukcijas. Į selektyvų radiatorių krintantys fotonai turi turėti tokią energiją, kad jos kaip tik pakaktų elektrono puslaidininkiniame keitiklyje pakėlimui į valentinę juostą; bet kuri papildoma energija bus išsklaidyta puslaidininkyje šilumos pavidalu. Taigi sistemos su selektyviaisiais radiatoriais turėtų gaminti daugiau ir pigesnės elektros energijos. Tačiau praktikoje nei viena sistema neveikia taip, kaip buvo tikėtasi. Radiatoriai nesugebėdavo deginamo kuro energiją paversti pakankamais tokių bangos ilgių spinduliuotės kiekiais, kurios reikia efektyviam silicio keitiklių darbui.

Be to, naudojant silicį tam, kad spinduliuojama galia leistų pagaminti vertą dėmesio elektros galią, reikia radiatoriaus temperatūrą pakelti bent iki 2000o C. Toks karštis sukelia radiatoriaus ir kitų detalių medžiagoje įtampas, kurios sutrumpina jų tarnavimo trukmę. Galiausiai tokiose aukštose temperatūrose degantis kuras skleis orą teršiančius azoto oksidus.

Pažanga termofotovoltaikoje buvo pasiekta todėl, kad mokslininkai išsiaiškino, kaip palyginti platų bangos ilgių diapazoną spinduliuojančius radiatorius galima suderinti su puslaidininkinėmis medžiagomis, galinčiomis su šiuo plačiu spektru susidoroti. Silicio karbido ir kiti plačiajuosčiai radiatoriai sugeba efektyviai veikti žemesnėse, apie 1000oC, temperatūrose. Šių radiatorių skleidžiamą spinduliuotę elektra verčia keitikliai, pagaminti iš puslaidininkių, sudarytų iš trečiosios ir penktosios Mendelejevo sistemos grupių elementų, dar vadinamų AIIIBV puslaidininkiais. Tokių medžiagų draustinių energijų tarpas yra nuo 0,5 iki 0,7 eV, t. y. žymiai mažesnis negu silicyje.

Jokia termofotovoltinė sistema nesugeba elektra paversti visos infraraudonosios energijos. Fotonai, turintys mažesnes už draustinių energijų tarpą energijas, negali elektrono permesti iš valentinės į laidumo juostą, todėl elektros srovės nesukurs. Tokie fotonai, jei tik nebus rastas jų panaudojimo būdas, tik veltui įkaitins sistemos elementus. Todėl svarbi termofotovoltinės sistemos dalis yra fotonų atgavimo blokas, siunčiantis mažesnės energijos fotonus atgal į radiatorių, kur jie yra pakartotinai sugeriami, palaiko aukštą radiatoriaus temperatūrą bei taupo deginamą kurą.
Nepanaudotų fotonų sugrąžinimas

Mokslininkai išbandė keletą antrinių fotonų panaudojimo būdų, įskaitant ir mikroskopinių metalo antenų tinklą. Tos antenos, kurios gali būti pagamintos iš plonos keitiklio elemento paviršiuje užgarintos metalo plėvelės, praleidžia į keitiklį reikiamo bangos ilgio spinduliuotę, o visus kitus fotonus atspindi atgal radiatoriaus link. Nemažai antrinio fotonų panaudojimo schemų nepasiteisino: dalis sistemų reagavo į per daug siauro diapazono bangų ilgius, kitos buvo pernelyg brangios. Bene perspektyviausias variantas yra užpakalinio paviršiaus reflektorius, pavadintas taip dėl to, jog nesugertieji fotonai kiaurai praeina puslaidininkinį keitiklio sluoksnį ir po to sugrąžinami kitoje keitiklio pusėje užgarinto gerai atspindinčio spinduliuotę aukso sluoksnio.

Viso pasaulio mokslininkai tiria įvairias technines termofotovoltinių prietaisų kūrimo ir komercializmo galimybes. Nuo 1994 m. jie buvo susitikę trijose tarptautinėse konferencijose, remiamose JAV energijos departamento. Mokslininkus labai žavi laboratorinių bandymų rezultatai, žadantys dideles šios technologijos ateities perspektyvas. 1500oC temperatūroje veikiąs radiatorius leidžia vieną sandūrą turinčiuose puslaidininkiniuose elementuose sukurti 3-4 W/cm2 dydžio elektros galios tankius.

4 pav. Gaminant keitiklius maišomi trečiosios ir penktosios grupių elementai; taip galima gauti norimą draustinių energijų tarpą. Termofotovoltiniams prietaisams labiausiai tinka draustinė juosta tarp 0,5 ir 0,7 eV.

Yra tiriami ir elementai, kurie sudaryti iš daugelio sandūrų. Ši koncepcija buvo pasiskolinta iš fotovoltinių saulės elementų technologijos. Jei daugiasandūriai elementai leistų keitiklyje sugerti platesnės srities bangos ilgių spinduliuotę, būtų efektyviau panaudojami plačiajuosčiai radiatoriai. Kiekviena atskira sandūra generuotų srovę naudodama skirtingų bangos ilgių fotonus. Teoriškai daugiasandūriai prietaisai galėtų pasiekti 5-6 W galią kiekviename keitiklio paviršiaus kvadratiniame centimetre. Šias prognozes verta palyginti su tipiškomis saulės baterijomis, visada sukuriančiomis ne daugiau kaip 15 mW/cm2 elektros galią. Prognozės remiasi kompiuterio skaičiavimais, o realios galios, be abejonės, bus mažesnės. Bandomieji prototipai generuoja didesnius negu 1 W/cm2 galios tankius.

Keletoje privačių ir valstybinių laboratorijų pradėtas lėtas ir skausmingas įvairių termofotovoltinių sistemų komponentų konstravimo ir integravimo darbas. Norint gauti didesnes galias, kiekvienas keitiklio elementas turi būti sujungtas su daugeliu kitų. Puslaidininkių technologija leidžia vienoje plokštelėje sukurti daug elementų ir juos sujungti. NASA ir kompanijos Spire mokslininkai pritaikė šią technologiją gamindami termofotovoltinių elementų matricas. Pažymėtinas NREL (Nacionalinės atsinaujinančių energijos šaltinių laboratorijos) mokslininkų Scott Ward ir Mark Wanglass pasiekimas. Jie mažus termofotovoltinius elementus sujungė taip: vieno elemento viršus yra sujungtas su gretimo apačia. Šita konstrukcija leidžia sumažinti srovę, padidinti įtampą ir minimizuoti prarandamą galią.

Panašios konstrukcijos keitiklius sudarys puslaidininkio plokštelė su daugybe pavienių elementų, o prietaisas išorėje teturės tik du kontaktus, reikalingus grandinės pajungimui. Norint pasiekti norimą galią, teks jungti kartu daugiau tokių plokštelių. Fotovoltinių elementų integravimas sumažins didelę technologijos kainą. Savajame prototipe Ward ir Wanlass taip pat išmėgino naujovišką antrinio fotonų panaudojimo schemą. Elektriškai aktyvios plokštelės dalys yra sukurtos ant pusiau izoliuojančio indžio fosfido padėklo. Kadangi ši medžiaga yra nelaidi elektrai, mažos energijos fotonų nesugers laisvieji elektronai ir jie netrukdomi praskries pro padėklą. Po to tie fotonai atsispindės nuo aukso paviršiaus ir grįš į radiatorių. Kitose prototipinėse konstrukcijose dauguma nepanaudotų fotonų yra sugeriami pačiuose keitikliuose.

Pirmasis termofotovoltinis prietaisas jau pasiekė rinką. Vašingtono valstijos Issaquah mieste įsikūrusi kompanija JX Crystals sukūrė „Midnight Sun“ (vidurnakčio saulė), daugiausia skirtą jachtoms. 14 cm pločio ir 43 cm aukščio cilindro formos degiklyje yra kūrenamos propano dujos; jis gamina 30 W elektros galią ir gali būti naudojamas navigacijos ir kitus įrenginius maitinančių akumuliatorių pakrovimui. Prietaisas ne tik gamina elektrą, bet ir papildomai šildo burlaivio kajutes. Jame yra dalinai selektyvus magnio aliuminato radiatorius ir nuosekliai sujungti galio stibido fotovoltiniai elementai.

5 pav. Vakarų Vašingtono universiteto sukurtas eksperimentinis automobilis dalį energijos gauna iš termofotovoltinės sistemos.

Nors dabartinė prietaiso kaina (3000 dolerių) yra didesnė nei labiau įprasto dyzelinio generatoriaus, „Midnight Sun“ veikia tyliai ir turėtų būti patikimesnis, nes jame nėra jokių judančių detalių.

Nepaisant selektyviųjų radiatorių sistemų trūkumų, mokslininkai vis dar tiria šias sistemas. Thermo Power iš Massachusetso valstijos Walthamo miesto kuria dujomis kūrenamą elektros generatorių, skirtą karinių ryšių ir kompiuterių sistemų maitinimui lauko sąlygomis. Civiliniame gyvenime toks prietaisas galėtų praversti tuomet, kai dingsta elektra. 150-300 W galios moduliuose yra iterbio oksido skaidulų vytys, spinduliuojančios 980 nm bangos ilgį. Šie selektyvūs radiatoriai atitinka didžiausią silicio fotokeitiklių efektyvumą. Nesunaudotoji energija yra surenkama panaudojant daugiasluoksnius filtrus.
Ne vien niša

Nors termofotovoltaika težengia tik pirmuosius žingsnius, jos perspektyvos daugelyje rinkos nišų yra gana neblogos. Ateityje ji galėtų vaidinti svarbesnį vaidmenį ir visoje pasaulinėje energetikos rinkoje. Pati „rinkos nišos“ sąvoka yra kiek klaidinanti, nes primena keletą amatininkų dirbtuvėlėse aptarnaujamų pirkėjų. Tiesą sakant, pasaulyje pilna milijardus dolerių vertų rinkos nišų, kurios kažkada prasidėjo beveik nuo nieko. IBM įkūrėjas Thomas J. Watson, nors kadaise manė, jog visame pasaulyje bus galima parduoti vos keletą kompiuterių, tačiau vis tiek surizikavo.

Jeigu būtų rimtai imtasi šilumos nuostolių pramonėje panaudojimo, atsivertų didžiulė termofotovoltinių prietaisų rinka. Daugelyje pramonės padalinių stiklo, aliuminio, plieno ir kt. vykstant medžiagų gamybos procesams atsiranda milžiniški nepanaudojamos šilumos kiekiai. Nustatyta, kad stiklo pramonėje veltui yra išsklaidoma apie du trečdalius visos sunaudojamos energijos, kas sudėjus duotų gigavatines galias. Šią šilumą termofotovoltiniai generatoriai galėtų paversti elektra. Kitu perspektyviu taikymu galėtų tapti Western Washington universitete kuriamas hibridinis automobilis. Jame akumuliatorių teikiama elektros energija yra papildoma 10 kW galios termofotovoltinio generatoriaus.

Šiandien termofotovoltinių prietaisų kūrimui kasmet yra teskiriama nuo 20 iki 40 mln. dolerių. Neseni tyrimai parodė, kad apie 2005 m. termofotovoltinių prietaisų kaina rinkoje gali siekti iki 500 mln. dolerių. Tie prietaisai leistų rasti švaresnius, efektyvesnius ir pigesnius daugelio ener gijos poreikių patenkinimo variantus. Galbūt kitame tūkstantmetyje ši technologija pagaliau turės šansą parodyti savo tikrąją vertę.

Leave a Comment