;
Новости 13 апреля 2022

В MIT создали неподвижный тепловой двигатель, который превзошел КПД турбин

Далее

Американские инженеры разработали термофотоэлектрический элемент, который преобразует тепло в электричество с коэффициентом полезного действия свыше 40%. Этот результат превосходит средние показатели эффективности паровых турбин. Исследование опубликовано в Nature.

Ученые из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии разработали эффективный неподвижный тепловой двигатель, который может заменить традиционные системы.

Тепловая машина, созданная инженерами, представляет собой термофотоэлектрический (TVP) элемент, который улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного источника тепла и преобразует их в электричество. Эта система повторяет идею работы солнечных панелей.

Разработанный в MIT тепловой элемент состоит из трех основных частей. Внутренний зеркальный слой золота последовательно покрывается двумя слоями сплавов, верхний из которых (внешний) обладает высокой шириной запрещенной зоны, а нижний (промежуточный) — чуть меньшей шириной. Ширина запрещенной зоны — характеристика полупроводников и диэлектриков, минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Внешний слой улавливает фотоны с самой высокой энергией и преобразует их в электричество. Промежуточный сплав улавливает и преобразует частицы света с более низкой энергией, которые проходят через первый слой. Фотоны, которые достигли слоя золота, отражаются зеркальной поверхностью и возвращаются в источник тепла. Такой подход, по словам инженеров, сокращает потери энергии.

Исследователи протестировали созданный элемент при помощи датчика теплового потока. Ученые концентрировали свет от высокотемпературной лампы на своей тепловой машине и проверяли, как изменялась энергоэффективность элемента в зависимости от температуры. Измерения показали, что при температуре от 1 900°C до 2 400°C КПД разработанного TVP-элемента составлял 40%.

Схема тепловой батареи. Источник: Henry et al., MIT, Nature

Инженеры планируют включить свои элементы в тепловую батарею сетевого масштаба. Такая система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, например, от солнца, и хранить в сильно изолированных банках горячего графита. При необходимости, например, в пасмурные дни TVP-элементы будут преобразовывать тепло в электричество и подавать его в сеть.

Термофотоэлектрические элементы стали последним шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией. Это безопасная, экологически чистая технология, которая может оказать влияние на сокращение выбросов углекислого газа.

Асегун Генри, профессор MIT и соавтор исследования

По оценке исследователей, свыше 90% электроэнергии в мире генерируется от источников тепла (уголь, газ, атомная энергия). Традиционный способ преобразования тепла в электричество — паровые турбины. В таких системах нагретый водяной пар вращает турбину и приводит в движение электрический генератор, магнитное поле которого создает переменный ток.

Физики отмечают, что в среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35% тепла в электричество. Кроме того, подвижные части системы чувствительны к температуре, поэтому источники тепла с высокой температурой не могут работать с такими турбинами.


Читать далее

Спустя десять лет работы ученые усомнились в стандартной модели физики

Внутри Земли есть еще «планета»: как она спасла зарождающуюся жизнь

Ученые поняли, что происходит в мозге собаки, когда разговаривает человек