Группа инженеров и специалистов по материалам из Университета Колорадо в Боулдере разработала инновационное термофотовольтаическое (TPV) устройство, которое способно преобразовывать тепловое излучение в электричество с рекордной эффективностью. Оно даже превышает теоретические ограничения, заложенные в фундаментальных законах термической физики.
По словам руководителя исследования, доцента Лунцзи Цуя, около двух третей всей используемой энергии преобразуется в тепло и теряется. Новый TPV-генератор позволяет утилизировать часть этого тепла и превращать его в чистую электроэнергию, что особенно важно в контексте отказа от ископаемого топлива.
Преодоление ограничений закона Планка
Традиционные TPV-устройства сталкиваются с ограничениями, установленными законом теплового излучения Планка, который определяет максимально возможное количество энергии, извлекаемой из источника тепла. Однако команда из Колорадо смогла преодолеть этот барьер, увеличив плотность мощности устройства.
Исследователи создали компактный TPV-генератор, размером не превышающий человеческую ладонь, который позволил удвоить плотность мощности по сравнению с традиционными TPV-системами. Одним из ключевых решений стало устранение вакуумного зазора между источником тепла и фотоэлектрическим элементом, что ранее приводило к потерям энергии.
Отказ от вакуумного зазора
В большинстве TPV-устройств используется вакуумный или газонаполненный зазор, который, несмотря на защитные функции, снижает эффективность передачи энергии. В новой конструкции ученые применили уникальный метод, который исключает необходимость в таком зазоре.
Вместо вакуумного пространства устройство использует стеклянную прокладку, обладающую инфракрасной прозрачностью и теплоизолирующими свойствами. Это позволило создать канал высокой плотности мощности, через который тепловые волны передаются без значительных потерь, значительно повышая эффективность генерации электроэнергии.
Масштабируемость и перспективы применения
Новая технология не только повышает КПД TPV-устройств, но и делает их более доступными. Использование распространенных и недорогих материалов, таких как стекло, упрощает производство и снижает затраты. Более того, ученые предполагают, что дальнейшая оптимизация может увеличить плотность мощности устройства в 20 раз.
Ранее для повышения плотности мощности приходилось значительно увеличивать температуру – например, с 1 500°C до 2 000°C, что часто оказывалось небезопасным для энергетических систем. Новый подход позволяет получать такую же мощность при гораздо более низких температурах, совместимых с большинством промышленных процессов. Устройство работает при температуре 1 000°C, но обеспечивает выходную мощность, эквивалентную традиционным TPV-устройствам, работающим при 1 400°C.
Влияние на различные отрасли
Внедрение этой технологии может значительно повлиять на промышленность, энергетику и транспорт. Она способна повысить эффективность производства стали, стекла, цемента и других энергоемких процессов за счет более дешевой и экологически чистой электроэнергии.
Кроме того, улавливание и преобразование избыточного тепла в электричество поможет сократить энергопотребление и выбросы парниковых газов, что делает разработку важным шагом на пути к устойчивому будущему.
