הבנת מכשירים

מכשירים פוטו-וולטאיים (TPV) מייצגים גישה חדשנית להמיר קרינה תרמית לאנרגיה חשמלית.בניגוד למערכות פוטו-וולטאיות קונבנציונליות הנתמכות באור השמש, קרינת אינפרא אדום לוכדת ממקורות חום כגון פרונסיות, מנועים, או זרמי תחזוקה תעשייתיים (עקרון הליבה כולל פולטת חמה המקרינה אנרגיה על תא פוטו-וולטאי, אשר מייצרת אז שימוש באמינות בינונית ל-800 ליטר חום) באופן ישיר, במיוחד, כלומר, ללא אפקט חום גבוה (טמפרטורה גבוהה, כלומר, הוא מסוגל לפעול באופן ישיר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, באופן טבעי, כלומר, כלומר, באופן ישיר, ללא אפקט חום).

העניין ב-TPV גדל בחדות ככל שהתעשיות מבקשות לשפר את יעילות האנרגיה ולהקטין פליטות פחמן.על פי סוכנות האנרגיה הבינלאומית, חום הפסולת התעשייתית מהווה עד 50% מהאנרגיה הנצרכים בחלק מהמגזרים. Capturing אפילו חלק מהחום הזה באמצעות TPV יכול להוריד משמעותית את הביקוש לאנרגיה ראשונית ופלט גזי החממה. פריצות דרך אחרונות בחומרים מדעיים וההנדסה דחפו את יעילות ההמרה מעבר ל-30% בהגדרות מעבדה, מהיעילות של אפקטיביות ליישומים אמיתיים יותר ויותר.

כיצד מכשירים פוטו-וולטאיים פועלים

מערכת TPV מורכבת משלושה מרכיבים עיקריים: מקור חום, פולט, ותא פוטו-וולטאי (PV).מקור החום מעלה את הנפלט לטמפרטורה גבוהה, מה שגורם לו לקרינה של אנרגיה אלקטרומגנטית בעיקר בספקטרום אינפרא אדום.אנרגיה קורנת זו נספגת על ידי תא PV, אשר ממיר photons לתוך זוגות אלקטרו-חור, ומייצרת חשמל נוכחי ישר לביצועים הוא ספקטרום אינפרא אדום: ספקטרום חום הוא חייב לנפח עם ספקטרום חום נמוך יותר מאשר ספקטרום של חום.

Emitters

Emitters מיוצרים בדרך כלל מחומרים עתיריים כגון tungsten, סיליקון carbide, או נדיר-earth oxides. התפתחויות האחרונות כוללות FLT:0selective פולטים פולטים FLT:1 - משטחים מנוסים אשר השיגו בעיקר בטווח גל צר המתאים ל- PV של תאים.

תאים פוטו-וולטאיים עבור TPV

התאים PV המשמשים TPV נבדלים תאים סולאריים.הם חייבים להיות אנרגיות מאגד נמוך (בדרך כלל 0.5-0.8 eV) כדי ללכוד פוטונים אינפרא אדום.חומרים נפוצים כוללים רבייה אנטי-מונואיד (GaSb), indium Gallium arsenide (InGaab), ודיווחו על חומרים אחרים לאחרונה, FLT:0perovskite- TPVFalpleischeite LT, פיתחו 2, 000) נמוך יותר, כולל TPVSb, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 צהובה, 000 צהובה, 000 צהובה, 000, 000, 000, 000, 000, 000 צהובה, 000, 000 צהובה, 000 צהובה, 000 צהובה, 000 גרם ל-D2, 000 גרם ל-D2, 000 צהובה, 000 צהובה, 000 צהובה, 000 גרם ל-D2, 000 גרם ל-D2D2D2D2, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גרם ל-D2, 000 גרם ל-D2, 000 גרם ל- HIV, 000

פיתוח: TPV Performance

כמה זיונות טכנולוגיים להאיץ את פיתוח TPV בחמש השנים האחרונות.שיפורים אלה לאורך עיצוב פולטטר, אדריכלות תאים, ניהול תרמי ושילוב מערכת.

אדריכלות מתקדמת

(הנקראים על בסיס ⁇ :0) גבישים פוטוניים של ריצוף 1 (צילום: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) , חשפו החוקרים את התנהגותם של קרוב ל- 90% מהאנרגיה שלהם בתוך חלון באורך 1.5-2.0 μm.

תאים פוטו-וולטאיים בעלי יעילות גבוהה

תאים מסורתיים של TPV סבלו מעיצובים פתוחים נמוכים (Crcuit מתח בשל תאים מודרניים כהים משלבים את ה-FLT:0)heterojunction designph 1LT:1, שכבות מעבר, ומשקף אחורי-surface כדי למזער את ההפסדים Recombination.לדוגמה, דק-סרט ב-GaAs עם משקף אחורי דיאלקטרי יכול להשיג > 90% יעילות פנימית ב-Framearniple הרלוונטית, מעבר ל-HD2Fericial Repheric.

ניהול תרמי ושיקום חום

מכיוון שמערכות TPV פועלות בטמפרטורות גבוהות, ניהול זרימת חום הוא קריטי.עיצובים רבים משלבים את הפילטרים:0spectralפילטרsFLT:1 המשקפים פוטונים תת-פס בחזרה לפלט, צמצום ההידרדרות התרמית.חלק מהמערכות משתמשות ב-FLT:2transverse גנרטורים תרמואלקטריים תרמוFLT:3 ב-TPV להפחתה נמוכה, ובכך משיגה התאוששות חום כוללת: 40% יותר.

תגיות Waste Heat Recovery

טכנולוגיית TPV היא מציאת נישות בתעשיות שבהן חום פסולת עתירי גבוה בשפע אך קשה להמיר באמצעות שיטות קונבנציונליות כגון טורבינות קי או תרמואלקטריות. אזורי יישום מרכזיים כוללים:

גידול תעשייתי וכרישים

Cement, פלדה, זכוכית ותעשיות קרמיקה משחררות כמויות מסיביות של חום ב 800-1500 מעלות צלזיוס. TPV מודולים ניתן להתקין בקירות פרוותנס או מחסניות ממצה כדי לייצר חשמל ללא השפעה על תהליכים ראשוניים.לדוגמה, מערכת טייסת במפעל פלדה באמצעות פרונסיט 1000 מעלות C הפיקה 5 קילוואט של חשמל, לפגוש 3% של התחזוקה של הצמח יכול לכבות מאות מגה-וואט מדי שנה.

רכב ותחבורה

מנועי הבעירה הפנימית מבזבזים כ-60% מאנרגיה הדלק כחום.TPV המשולבים במערכות exhaust יכולים להמיר חלק מהחום הזה לחשמל על אלקטרוניקה או סוללות מטען בכלי רכב היברידיים. A-2022 הראה שיפור 30% בכלכלת דלק באמצעות גנרטור GaSb TPV על מנוע דיזל כבד. בעוד אתגרים נשארים בניהול טמפרטורות תת-מסוגיות, התקדמות אחסון תרמיים ופלט חומרים הופכים את הגישה המעשית הזו.

Power Generation and Joint Heat and Power

טורבינות גז, כוח סולארי מרוכז (CSP) צמחים, וכורים גרעיניים מייצרים חום עתיר רוח גבוהה. TPV יכול לשמש מחזור מכווץ או מחזור מלמטה כדי להגביר את היעילות הכוללת. in CSP, מקלטי TPV יכולים לפעול ב > 1000 מעלות צלזיוס, פוטנציאל להגדיל את ההמרה הסולארית-לחשמלית מעבר ליכולת של מחזורי קיטור.

חשמל וחשמל מרוחק

מכיוון שלמכשירי TPV אין חלקים נעים והם שקטים, הם אידיאליים עבור גנרטורים ניידים המופעלים על ידי propane, butane, או דיזל. יישומים צבאיים ואסון-relief תועלת מ גנרטורים קומפקטיים, באנרגיה גבוהה, אשר לרוץ על דלקים זמינים. התפתחויות אחרונות במערכות מיקרו-TP באמצעות קובוסים קטנים ופולטים חום הראו כוח מעל 1 / 2.

אתגרים נוכחיים מגבילים אימוץ

למרות התקדמות מעבדה מרשימה, פריסה מסחרית נרחבת של TPV מתמודדת עם כמה מכשולים:

  • (FLT:0) מתיטרי דורנסיביות (Material DurcioFLT:1): "פליטת עתירה גבוהה ותאים PV מתפוגגים לאורך זמן בשל רכיבה תרמית, חמצון, ו interdiffusion. ציפויים מוגנים ושפע חזק נדרשים כדי להבטיח את תקופות החיים של > 10 שנים.
  • (FLT:0) CostveFLT:1: המוליכים למחצה של פסגהפ נמוך המשמשים בתאי TPV (למשל, GaSb) יקרים בהשוואה לסיליקון.
  • (FLT:0) spectral MismatchofFLT:1: גם עם פולטים סלקטיבית, כמה פוטונים תת-פגפ נספגים כמו חום, גידול טמפרטורת תאים וצמצום היעילות.
  • (FLT:0 System אינטגרציהFLT:1): הובלת TPV לתוך מתקנים תעשייתיים קיימים דורש הנדסה זהירה כדי למנוע משבש תהליכים.
  • (FLT:0) משתנה מקורות ה-Heat Source VarientiabilityFLT:1: זרמי חום רבים מבזבזים מתחלחלים בטמפרטורה ורמת קצב זרימתם.

קווי עתיד וגבולות מחקר

מחקר פעיל נועד להתגבר על המכשולים הללו ולפתוח את מלוא הפוטנציאל של TPV לשיקום חום פסולת.

חומרים חדשים

(FLT:0) תאי TPV המבוססים על TPVFIRLT:1 הם נושא חם כי הם יכולים להיות מעבדים עלות נמוכה ויש להם עגלות טונובל. תוצאות מוקדמות להראות יעילות סביב 15% תחת קרינה תרמית, אבל יציבות בטמפרטורות גבוהות נשאר עניות.

צילום: Photon Recycling and ThermoPhotonics

(FLT:0) מערכות אנדרופוטניקפטיבית (FLT:1) משתמשות בגוון אור-היתר (LED) כפלט במקום מקור תרמי פסיבי.ה LED פולט תמונות ממוחזרות בין הצד החם לבין תא PV, צמצום באופן דרסטי של הפסדים תרמיים.יעילות תיאורטית עולה על 50%, והוכחה - של מכשירים תפיסה הוכחו ב-25% יעילות משלבת ביצועים תרמיים עם שפכים יכול להשיג מפומיים חום.

בקרת NanoPhotonic

מהנדסים מעצבים את ה-FLT:0 ⁇ חומרניים ופלטים של ראטמדומים ( 1:1 עם מבנים באורך גלי שמש אשר משיגים שליטה ספקטרלית מושלמת, פני השטח האלה יכולים פולטים כיוון, להתמקד בקרינה על תאים קטנים-area PV כדי להפחית את העלות.בנוסף, FLT:2 אופטית concentrcentrFLT 3 יכול להגדיל את השטף על התא, להגביר את הכוח ואת צפיפות התאים לתוך עיצובים פשוטים יותר (Fragnic) לתוך נוסחאות תאים פשוטים יותר).

מערכות היברידיות ואבטחת אנרגיה

(הופנה מהדף TPV עם חומרים של שינוי:0) מאפשר דור חשמל רציף גם כאשר מקור החום של פסולת הוא לסירוגין. a net-scale TPV-plus-storage מערכת יכול לספק כוח מתחדש.

ייצור סקאלה

כדי להפחית את העלות, החוקרים מפתחים טכניקות ייצור רול-טו-ל-roll עבור תאי TPV ופלטים (FLT:0Slot-dieציפויFLT:1 של שכבות perovskite, FLT:2atomic שכבת depositionFLT: 3 של סרטי החלפה, ו-FLT:4laser דפוסים:5 של מבנים פוטו-חשמליים הם בגודל של 1 ו-PV, אם ניתן להפוך למחזורי של 1⁄2, 000 $, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של התחממות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של .

מחקרים והפגנות אחרונות

כמה פרויקטים בולטים ממחישים את המדינה- of-the-art:

  • (FLT:0MIT / Microsoft TPV Furnace (2022), מערכת 10-kW TPV משולבת פרוות מחקר 1500 מעלות צלזיוס השיגה 32% יעילות והפעלה במשך יותר מ 2000 שעות.המערכת השתמשה בפלטים פוטוניים-קריסטליים ו- GaSb עם פרטי רפלקטים אחוריים.
  • (FLT:0BMW Group Exhaust Heat Recovery (2023): A אבטיפוס TPV מודול ממוקם בממצה של מנוע בנזין המיוצר 250 W של חשמל, צמצום העומס משתנה ושיפור כלכלת הדלק על ידי 5%.הפרויקט השתמש בתאים InGaAs עם פולטת סלקטיבית עשוי תחמוצת ytterbium.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) אוניברסיטת מישיגן קומפקטי גנרטור (2023): גנרטור TPV נייד המופעל על ידי propane סיפק 50 W של חשמל בנפח 0.5 ליטר, עם כוח ספציפי של 100 W / ק"ג.המערכת השתמשה בבעלת הלהבה כמקור חום ופלט פוטוני-קריסטל.

השפעות סביבתיות ופוטנציאל כלכלי

אימוץ TPV לשיקום חום פסולת יכול להפחית את פליטות CO2 הגלובלי על ידי מוערך 2-4 גיגה-4 גיגה-טון בשנה עד שנת 2050, על פי תחזיות של Global Energy Interconnection Development ו-Comperation Organization. מבחינה כלכלית, שוק התאוששות חום הפסולת צפוי לעלות על 100 מיליארד דולר עד 2030, עם TPVh לכידת נתח משמעותי אם עלויות מופחתות של חשמל עבור מערכות TPV הן כיום 0.15 / 0 / 0, בהתאם לרמה נמוכה יותר, לעומת גודל נמוך יותר, לעומת גודל של חשמל נמוך יותר, לעומת RDR / RDR.

מסקנה

התקנים הירומולטאיים מציעים פתרון חזק, יעיל ורחב ל המרת חום פסולת תעשייתי לחשמל.התפתחויות האחרונות בפלטים סלקטיבית, חומרים פוטו-וולטאיים בפסגפ נמוך, וניהול ספקטרלי דחף את יעילות המעבדה מעבר ל -30%, בעוד שהפגנות מעשיות ב- Zeronaces, מנועים, ומקלטי השמש מאשרות אתגרי מפתח בעלי ערך בעולם האמיתי - עלות, עמידות, ושילוב של מערכות חשמל גבוהות, כמו גם באמצעות מפונקציות מהירות, באמצעות חסכוניות, כמו גם באמצעות מטרות חום, וחדשנות, הן הופכות, כמו גם פתרונות גמישים, כמו גם פתרונות אבטחה, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם חסכוניים, כמו גם חסכוניים, כמו גם חסכוניים, כמו גם פתרונות גמישים, כמו גם עבור מערכות אחסון גמישים, כמו גם פתרונות אבטחה, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות אנרגיה, וגמישות, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות גמישים, כמו גם פתרונות גמישים, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות גמישים, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם פתרונות אנרגיה, כמו גם חסכוניים, כמו גם פתרונות אנרגיה מתחדשת, כמו גם פתרונות אנרגיה,

עבור הקוראים המעוניינים בפרטים טכניים עמוקים יותר, FLT:0 ScienceDirecteurFLT:1 מספק סקירה נרחבת של פיזיקת TPV וחומרים.בנוסף, מחלקת האנרגיה של ארה"ב:2 Industrial Waste RecoveryFLT 3 מתווה אסטרטגיות שיקום רחבות יותר כולל TPV.