Znanstvenici se nadaju da termofotonaponske (TPV) ćelije u čvrstom stanju bez pokretnih dijelova mogu postići veću učinkovitost pri višim temperaturama kada je u pitanju pretvaranje topline u električnu energiju te tako dovesti do energetskih mreža, koje se u potpunosti temelje na obnovljivim izvorima energije.
Jedna takva TPV ćelija sada je dosegla novi svjetski rekord od 40 posto učinkovitosti, tvrde znanstvenici. To je bolje od parnih turbina koje se tradicionalno koriste za pretvaranje topline u električnu energiju, koje obično imaju maksimum od 35 posto i također imaju gornje temperaturne granice.
TPV ćelije zapravo pretvaraju visokoenergetske fotone iz užarenih izvora topline u električnu energiju. U kombinaciji s termalnim baterijama, mogle bi uhvatiti energiju od Sunca i zadržati je pohranjenu, oslobađajući električnu energiju po potrebi.
Jedna od prednosti pretvarača energije u čvrstom stanju je ta što mogu raditi na višim temperaturama uz niže troškove održavanja jer nemaju pokretnih dijelova. Oni samo sjede i pouzdano proizvode struju, kaže Asegun Henry, inženjer strojarstva s Instituta za tehnologiju Massachussets (MIT).
Termofotonaponska ćelija uključena u rekordnu pretvorbu može generirati električnu energiju iz izvora topline na temperaturama od 1.900 do 2.400 stupnjeva Celzija. Te su temperature previše vruće da bi konvencionalne parne turbine na njima mogle raditi, zbog uključenih pokretnih dijelova.
S rastom učinkovitosti tih ćelija, to ih čini i održivijima. Prethodni rekord iznosio je 32 posto učinkovitosti, dok se većina do sada proizvedenih TPV ćelija kretala oko stope učinkovitosti od 20 posto.
Rekord učinkovitosti izmjeren je pomoću senzora toplinskog toka za mjerenje topline koju apsorbira ćelija, a koja je veličine oko kvadratnog centimetra. Žarulja visoke temperature korištena je za mijenjanje količine topline kojoj je ćelija bila izložena, otkrivajući da je zapravo prikladna za ugradnju u veći sustav.
Možemo postići visoku učinkovitost u širokom rasponu temperatura relevantnih za termalne baterije, kaže Henry.
Poboljšanje učinkovitosti uglavnom je posljedica upotrijebljenih materijala, koji imaju ono što je poznato kao niski pojas, odnosno jaz, koji elektroni moraju prijeći da bi se generirala električna energija. Ovdje su istraživači koristili i materijale s većim razmakom pojasa, kao i višestruke spojeve (ili slojeve materijala).
Koriste se zapravo tri sloja: legura s visokim pojasnim razmakom za hvatanje fotona visoke energije kako bi se pretvorili u električnu energiju, legura s niskim pojasnim razmakom za hvatanje fotona niske energije koji klize kroz prvi sloj te zlatno zrcalo za reflektiranje fotona koji su prošli sve natrag do izvora topline, čime se minimizira gubitak topline.
S novom TPV ćelijom koja je sada dokazana kao operativna, pouzdana i učinkovita, znanstvenici mogu nastaviti s poslom povećanja i kombiniranja s drugim elementima kako bi formirali potpuni sustav proizvodnje energije, odnosno onaj koji ne proizvodi nikakav ugljik dok u uporabi.
Termofotonaponske ćelije bile su posljednji ključni korak prema demonstriranju da su termalne baterije održiv koncept. Ovo je apsolutno kritičan korak na putu širenja obnovljive energije i dolaženja do potpuno dekarbonizirane mreže, kaže Henry.
Istraživanje je objavljeno u znanstvenom časopisu Nature.
Izvor: Science Alert
