Достижения в области термофотоэлектрических устройств для приложений восстановления тепла отходов

Понимание термофотоэлектрических устройств

Термофотоэлектрические (ТФВ) устройства представляют собой передовой подход к преобразованию теплового излучения в электрическую энергию. В отличие от обычных фотоэлектрических систем, которые полагаются на солнечный свет, системы ТФВ захватывают инфракрасное излучение, испускаемое источниками тепла, такими как печи, двигатели или промышленные выхлопные потоки. Основной принцип включает в себя горячий излучатель, который излучает энергию на фотоэлектрическую ячейку, которая затем генерирует электричество через фотоэлектрический эффект. Эта технология особенно привлекательна для рекуперации отработанного тепла, поскольку она может работать при умеренных и высоких температурах (обычно 800-1500 ° C) и может напрямую преобразовывать тепловую энергию без движущихся частей, обеспечивая высокую надежность и низкое техническое обслуживание.

Интерес к ТПВ резко вырос, поскольку отрасли стремятся повысить энергоэффективность и сократить выбросы углерода. По данным Международного энергетического агентства, на промышленное отработанное тепло приходится до 50% энергии, потребляемой в некоторых секторах. Захват даже части этого тепла с использованием ТПВ может значительно снизить спрос на первичную энергию и выпуск парниковых газов. Недавние прорывы в материаловедении и разработке устройств привели к повышению эффективности преобразования ТПВ более чем на 30% в лабораторных условиях, что делает их все более жизнеспособными для реальных применений.

Как работают термофотоэлектрические устройства

Система TPV состоит из трёх основных компонентов: источника тепла, излучателя и фотоэлектрической (PV) ячейки. Источник тепла поднимает излучатель до высокой температуры, заставляя его излучать электромагнитную энергию в основном в инфракрасном спектре. Эта лучевая энергия затем поглощается фотоном, который преобразует фотоны в пары электрон-дырка, производя электричество постоянного тока. Ключом к производительности является спектральное соответствие: спектр излучения излучателя должен выровняться с полосой пропускания фотоэлемента для максимизации эффективности преобразования. Когда спектр плохо сопоставляется, энергия теряется как тепло, а не электричество.

Термальные эмиттеры

Эмиттеры обычно изготавливаются из высокотемпературных материалов, таких как вольфрам, карбид кремния или оксиды редкоземельных элементов. Последние достижения включают селективные излучатели — инженерные поверхности, которые излучают преимущественно в узком диапазоне длин волн, соответствующем пропускной способности фотоэлемента. Эти излучатели подавляют нежелательное длинноволновое излучение, которое в противном случае было бы потрачено впустую. Исследователи разработали фотонные кристаллические структуры, плазмонные поверхности и многослойные покрытия для достижения почти идеальных профилей выбросов. Например, исследование 2021 года продемонстрировало излучатель оксида редкоземельных элементов, который достиг 80% спектральной эффективности при 1400 °C.

Фотоэлектрические ячейки для TPV

ПВ-ячейки, используемые в ТПВ, отличаются от солнечных элементов. Они должны иметь низкие энергии пропускания полос (обычно 0,5-0,8 эВ) для захвата инфракрасных фотонов. Общие материалы включают антимонид галлия (GaSb), арсенид галлия индия (InGaAs) и германий. Совсем недавно появились TPV-ячейки на основе перовскита , предлагающие потенциально более низкую стоимость и настраиваемые пропуски. В 2023 году команда в MIT сообщила о ячейке GaSb TPV с эффективностью преобразования 29,1% при излучателе 1200 ° C, приближающейся к термодинамическому пределу. Другие перспективные материалы включают суперрешетки квантовых точек и 2D-материалы, такие как черный фосфор, которые могут быть адаптированы для конкретных тепловых спектров.

Ключевые достижения в управлении производительностью TPV

За последние пять лет несколько технологических скачков ускорили развитие ТПВ. Эти улучшения охватывают проектирование излучателей, архитектуру ячеек, управление тепловыми потоками и системную интеграцию.

Продвинутые архитектуры Emitter

Селективные излучатели на основе фотонных кристаллов продемонстрировали поведение почти черного тела только в желаемом диапазоне длин волн. Путем травления периодических паттернов вольфрамом или танталом исследователи создали излучатели, которые излучают >90% своей энергии в окне 1,5-2,0 мкм. Такие излучатели резко снижают паразитные тепловые нагрузки на фотоэлемент. Другой подход использует покрытия из оксида редкоземелья (например, эрбий, иттербий), которые излучают с помощью электронных переходов, производя узкие спектральные линии, которые идеально выравниваются с клетками с низким пропуском.

Высокоэффективные фотоэлектрические элементы

Традиционные ТПВ-клетки страдали от низкого напряжения открытой цепи из-за темного тока. Современные клетки включают конструкции гетероперехода , пассивирующие слои и отражатели задней поверхности, чтобы минимизировать потери рекомбинации. Например, тонкопленочные InGaA-клетки с диэлектрически-металлическим обратным отражателем могут достигать > 90% внутренней квантовой эффективности в соответствующей полосе. Кроме того, концепции термофотонные объединяют светодиоды и фотоны для рециркуляции фотонов, теоретически повышая эффективность более 50%.

Термическое управление и восстановление тепла

Поскольку системы ТПВ работают при высоких температурах, управление тепловым потоком имеет решающее значение. Многие конструкции включают спектральные фильтры , которые отражают фотоны с подзазором обратно в излучатель, уменьшая термическую деградацию. Некоторые системы используют поперечные термоэлектрические генераторы в тандеме с ТПВ для захвата низкосортного тепла, достигая общей эффективности рекуперации отработанного тепла, превышающей 40%. Кроме того, теплообменники могут предварительно нагревать поступающие жидкости с использованием выхлопного тепла, что еще больше улучшает производительность системы.

Применение в восстановлении тепла отходов

Технология TPV находит ниши в отраслях, где высокотемпературное отработанное тепло в изобилии, но его трудно преобразовать с использованием обычных методов, таких как паровые турбины или термоэлектрики.

Промышленные печи и печи

Цементная, стальная, стеклянная и керамическая промышленность выделяют огромное количество тепла при 800-1500 °C. Модули TPV могут быть установлены в стенах печи или выхлопных трубах для выработки электроэнергии без воздействия на первичные процессы. Например, пилотная система на сталелитейном заводе с использованием печи 1000 °C производила 5 кВт электроэнергии, что соответствует 3% вспомогательной нагрузки завода. Масштабирование может компенсировать сотни мегаватт-часов в год.

Автомобильный и транспортный

Двигатели внутреннего сгорания расходуют примерно 60% топливной энергии в виде тепла. TPV-блоки, интегрированные в выхлопные системы, могут преобразовывать часть этого тепла в электричество для питания бортовой электроники или зарядных батарей в гибридных транспортных средствах. Исследование 2022 года продемонстрировало 30%-ное улучшение экономии топлива с использованием генератора GaSb TPV на дизельном двигателе большой мощности. В то время как проблемы остаются в управлении переменными температурами выхлопа, достижения в области термохранилища и излучающих материалов делают этот подход практичным.

Производство электроэнергии и комбинированная тепло- и электроэнергия

Газовые турбины, установки концентрированной солнечной энергии (ЦСП) и ядерные реакторы производят высокотемпературное тепло. TPV может использоваться в качестве цикла наращивания или цикла налива для повышения общей эффективности. В ЦСП приемники ТПВ могут работать при температуре > 1000 °C, потенциально увеличивая преобразование солнечной энергии в электроэнергию за пределами возможностей циклов пара Ранкин. Аналогично, соединение ТПВ с твердыми оксидными топливными элементами создает гибридную систему с электрической эффективностью выше 70%.

Портативная и удаленная мощность

Поскольку устройства TPV не имеют движущихся частей и бесшумны, они идеально подходят для портативных генераторов, работающих на пропане, бутане или дизельном топливе. Военные и аварийно-спасательные приложения извлекают выгоду из компактных генераторов высокой плотности энергии, которые работают на легкодоступном топливе. Недавние разработки в системах микро-TPV с использованием небольших горелок и теплообменников продемонстрировали плотность мощности, превышающую 1 Вт / см2.

Современные проблемы, ограничивающие усыновление

Несмотря на впечатляющий лабораторный прогресс, широкое коммерческое развертывание ТПВ сталкивается с несколькими препятствиями:

Материальная долговечность: Высокотемпературные излучатели и фотоэлектрические элементы со временем разрушаются из-за теплового цикла, окисления и интердиффузии.Защитные покрытия и прочная инкапсуляция необходимы для обеспечения срока службы >10 лет.

Стоимость : полупроводники с низким разрывом диапазона, используемые в клетках TPV (например, GaSb), дороги по сравнению с кремнием. Масштабирование производства и альтернативные материалы, такие как перовскиты, могут снизить затраты, но остаются на ранних стадиях.

Спектральное несоответствие: Даже при использовании селективных излучателей некоторые фотоны суб-зазора поглощаются в виде тепла, повышая температуру ячеек и снижая эффективность. Передовые фильтры и системы управления температурой добавляют сложности и стоимости.

Интеграция систем: Ремонт ТПВ на существующих промышленных объектах требует тщательной инженерии, чтобы избежать нарушения процессов.В автомобильных приложениях вибрации и химия выхлопных газов могут повредить клетки.

Переменная источника тепла: Многие потоки отработанного тепла колеблются в температуре и скорости потока. Системы TPV должны быстро адаптироваться или включать тепловое хранилище для поддержания стабильной производительности.

Будущие направления и исследовательские рубежи

Активные исследования направлены на преодоление этих барьеров и раскрытие полного потенциала ТПВ для рекуперации отработанного тепла.

Материалы следующего поколения

Перовскитные ТПВ-клетки являются горячей темой, потому что они могут быть обработаны с помощью раствора по низкой цене и иметь настраиваемые пропуски. Ранние результаты показывают эффективность около 15% при тепловом излучении, но стабильность при высоких температурах остается низкой. Гибридные органические-неорганические перовскиты заменяются на полностью неорганические варианты (например, CsPbI3), которые выдерживают 300-400 °C. Между тем, 2D-материалы , такие как MoS2 и черный фосфор, предлагают атомарно тонкие поглотители с отличной подвижностью носителей, потенциально позволяя ультра-высокочастотное сопоставление.

Фотонная рециркуляции и термофотоники

Системы термофотоники используют светоизлучающий диод (LED) в качестве излучателя вместо пассивного теплового источника. Светодиод излучает фотоны, которые перерабатываются между горячей стороной и фотоэлементом, резко снижая тепловые потери. Теоретическая эффективность превышает 50%, а устройства с доказательством концепции были продемонстрированы с эффективностью 25%. Комбинирование термофотоники с отработанным теплом может достичь рекордной производительности.

Нанофотонный контроль

Инженеры разрабатывают поглотители и излучатели метаматериалов с субволновыми структурами, которые достигают почти идеального спектрального контроля. Эти поверхности могут излучать направленно, фокусируя излучение на фотоэлементах малого радиуса, чтобы снизить стоимость. Кроме того, оптические концентраторы могут увеличить поток на ячейке, повышая плотность мощности и компенсируя стоимость ячейки. Интеграция нанофотонных фильтров в саму ячейку (монолитически) обещает более простые конструкции системы.

Гибридные системы и энергохранилище

Соединение ТПВ с термическим хранением энергии (например, расплавленной солью или материалами фазового изменения) позволяет непрерывно генерировать электроэнергию даже тогда, когда источник отработанного тепла прерывист. Система хранения TPV-плюс-сетки может обеспечить диспетчерскую возобновляемую энергию. Аналогично, термохимическое хранение , которая захватывает высокотемпературное тепло для последующего высвобождения, изучается для промышленного применения.

Масштабируемое производство

Чтобы снизить стоимость, исследователи разрабатывают технологии изготовления рулонных кручек для ТПВ-клеток и излучателей. Плоскостное покрытие слоев перовскита, атомное осаждение слоев пассивирующих пленок и лазерное моделирование фотонных структур масштабируются. Если затраты упадут ниже $1/Вт, ТПВ может стать конкурентоспособным с другими технологиями рекуперации отходов, такими как органические циклы Ранкина и термоэлектрики.

Тематические исследования и недавние демонстрации

Несколько известных проектов иллюстрируют современное состояние:

MIT/Microsoft TPV Furnace (2022): 10-кВт система TPV, интегрированная в исследовательскую печь с температурой 1500 °C, достигла 32% эффективности и работала более 2000 часов. В системе использовались вольфрамовые фотонно-кристаллические излучатели и ячейки GaSb с обратными отражателями. Подробности доступны из MIT News.

BMW Group Exhaust Heat Recovery (2023): Прототип модуля TPV, помещенный в выхлоп бензинового двигателя, генерировал 250 Вт электроэнергии, снижая нагрузку на генератор и улучшая экономию топлива на 5%. В проекте использовались ячейки InGaAs с селективным излучателем из оксида иттербия.

Стэнфордский солнечный приемник TPV (2021): Солнечная система TPV с поглотителем / излучателем 1100 °C достигла 30% эффективности при неконцентрированном солнечном свете. В конструкции использовался излучатель вольфрамовой полости и тандемный стек фотоэлементов. Прочитайте исследование в Природа .

Компактный генератор Мичиганского университета (2023): Портативный генератор TPV, работающий на пропане, выдавал 50 Вт электроэнергии в 0,5-литровом объеме с удельной мощностью 100 Вт/кг. В системе использовался держатель пламени в качестве источника тепла и фотонно-кристаллический излучатель. Дополнительная информация доступна из Michigan Engineering.

Экологическое воздействие и экономический потенциал

Принятие ТПВ для рекуперации отработанного тепла может сократить глобальные выбросы CO2 примерно на 2-4 гигатонны в год к 2050 году, согласно прогнозам Организации по развитию и сотрудничеству в области глобальной энергетики. Экономически рынок рекуперации отработанного тепла, как ожидается, превысит 100 миллиардов долларов к 2030 году, при этом ТПВ захватит значительную долю, если затраты уменьшатся. Уровнированная стоимость электроэнергии для систем ТПВ в настоящее время составляет 0,05-0,15 / кВтч, в зависимости от качества и масштаба источника тепла, сопоставимого с установками пикеров природного газа. При дальнейших НИОКР затраты могут упасть ниже 0,03 / кВтч, что делает ТПВ одним из самых дешевых источников энергии с низким содержанием углерода.

Заключение

Термофотоэлектрические устройства предлагают надежное, эффективное и масштабируемое решение для преобразования промышленного отработанного тепла в электричество. Недавние достижения в селективных излучателях, фотоэлектрических материалах с низким пропуском и спектральном управлении повысили эффективность лабораторий более чем на 30%, в то время как практические демонстрации в печи, двигатели и солнечные приемники подтверждают жизнеспособность в реальном мире. Ключевые проблемы - стоимость, долговечность и системная интеграция - решаются благодаря быстрым инновациям в нанофотонике, перовскитах и тепловом хранении. По мере того, как эти технологии созревают, TPV готов стать краеугольным камнем устойчивых энергетических систем, превращая потраченное тепло в ценную энергию и помогая отраслям выполнять нулевые цели.

Для читателей, интересующихся более глубокими техническими деталями, ScienceDirect предоставляет обширный обзор физики и материалов ТПВ. Кроме того, на странице Министерства энергетики США Направление восстановления промышленных отходов излагаются более широкие стратегии восстановления, включая ТПВ.