Výzkumníci vytvořili nový termofotovoltaický článek (TPV), který přeměňuje teplo na elektřinu s účinností přes 40 %, což je výkon téměř srovnatelný s tradičními elektrárnami s parní turbínou. Tyto články mají potenciál pro použití v tzv. „termálních bateriích“, které spolehlivě vyrábějí energii bez pohyblivých částí.

Termofotovoltaické články fungují tak, že zahřívají polovodičové materiály natolik, že výrazně zvyšují energii fotonů. Při dostatečně vysokých energiích mohou tyto fotony vyrazit elektron přes tzv. „pásmovou mezeru“ materiálu a vyrábět elektřinu. Doposud dosahovaly články TPV pouze 32% účinnosti, protože pracují při nižších teplotách.

Vyšší teploty a lepší vlastnosti

Naproti tomu nová konstrukce od MIT a americké Národní laboratoře pro obnovitelnou energii (NREL) odebírá energii ze zdrojů tepla rozpálených na teploty mezi 1 900 až 2 400 stupňů Celsia. K tomu využívá kovové slitiny s „vysokou propustností“, které jsou umístěny nad slitinou s mírně nižší propustností.

Vrstva s vysokou propustností zachycuje fotony s nejvyšší energií ze zdroje tepla a přeměňuje je na elektřinu, zatímco fotony s nižší energií procházejí první vrstvou a zvyšují napětí. Všechny fotony, které projdou dvěma vrstvami, se odrážejí zrcadlem zpět ke zdroji tepla, aby se zabránilo plýtvání energií.

Podle vědců se jedná o naprosto zásadní krok na cestě k rozšíření obnovitelných zdrojů energie a k dosažení plně dekarbonizované sítě. Foto: Se souhlasem MIT

Při měření účinnosti pomocí čidla tepelného toku tým zjistil, že výkon se mění v závislosti na teplotě. V rozmezí 1 900 až 2 400 stupňů Celsia vyráběla nová konstrukce TPV elektřinu s přibližně 40procentní účinností.

Žádné pohyblivé části

Tradiční parní turbíny mohou dosahovat stejné účinnosti, ale jsou kvůli pohyblivým součástkám mnohem složitější a omezené na nižší teploty. „Jednou z výhod polovodičových měničů energie je, že mohou pracovat při vyšších teplotách s nižšími náklady na údržbu, protože nemají žádné pohyblivé části,“ řekl MIT News profesor Asegun Henry. „Prostě tam jen leží a spolehlivě vyrábějí elektřinu.“

V termální baterii určenou pro zapojení do tradiční sítě by systém absorboval přebytečnou energii z obnovitelných zdrojů (sluneční, větrné a vodní), a ukládal by ji do silně izolovaných bank žhavého grafitu. V případě potřeby by pak články TPV mohly toto teplo přeměnit na elektřinu a poslat ji do elektrické sítě. Experimentální článek měl pouhý centimetr čtvereční, takže tým by ho musel zvětšit na zhruba 930 metrů čtverečních, aby mohl dodávat energii na úrovni sítě, ale technologie pro vytvoření článků v takovém měřítku již existuje, poznamenává Henry.

„Termofotovoltaické články byly posledním klíčovým krokem k prokázání, že termální baterie jsou životaschopným konceptem,“ řekl. „Je to naprosto zásadní krok na cestě k rozšíření obnovitelných zdrojů energie a k dosažení plně dekarbonizované sítě.“

Zdroj: MIT