Исследователи из Университета Хьюстона и Массачусетского технологического института сообщили о значительном прогрессе в производстве электроэнергии за счет комбинации концентрации солнечной энергии и термоэлектрических материалов.
Сочетая концентрацию солнечной энергии, которая преобразует свет в тепло, которое затем используется для выработки электричества, с сегментированными термоэлектрическими ветвями, состоящими из двух разных термоэлектрических материалов, каждый из которых работает в разных температурных диапазонах, исследователи заявили, что продемонстрировали многообещающие новые технологии альтернативной солнечной энергии.
Их выводы опубликованы в журнале Nature Energy.
Zhifeng Ren, MD Андерсон, профессор физики Хьюстонского университета и автор статьи, сказал, что работа иллюстрирует новый недорогой, нетоксичный способ получения энергии. По его словам, хотя он не предназначен для замены крупных электростанций, он может оказаться особенно полезным для изолированных районов, которые не подключены к традиционной электрической сети, питая, например, небольшие группы домов или предприятий. Помимо производства электроэнергии, эта технология также может производить горячую воду, что ценно как для частных, так и для промышленных целей.
Помимо Рена, среди других авторов статьи Ган Чен, Дэниел Кремер, Кеннет Макинани, Ли А. Вайнштейн и Джеймс Лумис, все из Массачусетского технологического института, а также исследователи UH Цин Цзе, Фэн Цао и Вейшу Лю.
Рен, который также является главным исследователем Техасского центра сверхпроводимости в UH, сказал, что работа опирается на более раннюю работу исследователей, которая продемонстрировала доказательство концепции. Для этого проекта, частично поддержанного Министерством энергетики, они фактически построили устройство для измерения того, насколько хорошо работает оптическая концентрация для повышения общей эффективности системы.
Они продемонстрировали эффективность 7,4 процента, но сообщили, что на основе их расчетов устройство может достичь эффективности 9,6 процента. Их предыдущая работа привела к эффективности 4,6 процента.
"Улучшение характеристик достигается за счет использования сегментированных термоэлектрических ветвей, высокотемпературного спектрально-селективного солнечного поглотителя, обеспечивающего стабильную работу в вакууме с температурой поглотителя до 600 (градусов) C, и сочетания оптической и тепловой концентрации," - написали исследователи. «Наша работа предполагает, что концентрирующие СТЭГ (солнечные термоэлектрические генераторы) могут стать многообещающей технологией альтернативной энергетики».
Чтобы добиться более высокой эффективности, исследователи использовали солнечный поглотитель, усиленный оптическими концентраторами для увеличения тепла и улучшения плотности энергии. Поглотитель размещался на ножках, изготовленных из термоэлектрических материалов. В то время как в их предыдущей работе использовался только теллурид висмута - хорошо известный термоэлектрический материал - в этой версии использовался скуддерудит для верхней половины ножек и теллурид висмута для нижней половины.
Термоэлектрические материалы производят электричество, используя поток тепла из более теплой области в более холодную. Исследователи заявили, что, используя два материала, они смогли использовать более широкий диапазон температур, создаваемых солнечным поглотителем, и повысить эффективность генерации.
Скуттерудит, например, лучше всего работает при температурах выше 200 градусов по Цельсию, в то время как теллурид висмута оптимально работает при температурах ниже этого уровня.
«Рекордно высокая эффективность достигается путем разделения двух термоэлектрических материалов, скуттерудита и теллурида висмута, соединенных со спектрально-селективной поверхностью, работающей при температуре около 600 (градусов) C за счет комбинированной оптической и тепловой концентрации солнечного света», они написали.