|
19.04.2022 Новий тепловий двигун без рухомих частин ефективніший на 40% парової турбіни | |
 Інженери Массачусетського технологічного інституту та Національної лабораторії відновлюваних джерел енергії (NREL) розробили тепловий двигун без частин, що рухаються. Їхні демонстрації показують, що двигун перетворює тепло в електрику з ефективністю понад 40 %, що краще, ніж у традиційних парових турбін. Тепловий двигун є термофотоелектричний (TPV) елемент, аналогічний фотоелектричним елементам сонячної панелі, який пасивно вловлює фотони високої енергії від розпеченого джерела тепла і перетворює їх на електрику. Двигун може генерувати електрику з джерела тепла з температурою від 1900 до 2400 градусів за Цельсієм або приблизно до 4300 градусів за Фаренгейтом. Дослідники планують включити елемент TPV до теплової батареї мережевого масштабу. Система поглинатиме надмірну енергію з відновлюваних джерел, таких як сонце, і зберігатиме цю енергію в ізольованих банках гарячого графіту. Коли потрібна енергія, наприклад, у похмурі дні, елементи TPV перетворюватимуть тепло в електрику і передаватимуть енергію в електромережу. З новим осередком TPV команда успішно продемонструвала основні частини системи в експериментах. Вони працюють над інтеграцією частин, щоб продемонструвати повністю діючу систему. Потім вони сподіваються масштабувати систему, щоб замінити електростанції, що працюють на викопному паливі, і створити повністю обезуглероженную енергосистему, що повністю забезпечується відновлюваною енергією. Термофотоелектричні елементи стали останнім важливим кроком на шляху до демонстрації того, що теплові батареї є життєздатною концепцією, — каже Асегун Генрі, професор Роберта Н. Нойса з розвитку. «Це важливий крок на шляху до поширення відновлюваної енергії та переходу до повністю обезуглероженої мережі». Понад 90 % електроенергії у світі надходить із джерел тепла, таких як вугілля, природний газ, ядерна енергія та сонячна енергія. Протягом століття парові турбіни були промисловим стандартом перетворення таких джерел тепла в електрику. У середньому парові турбіни перетворять близько 35 відсотків тепла на електрику, при цьому близько 60 відсотків є найвищим ККД будь-якого теплового двигуна на сьогоднішній день. Але механізм залежить від частин, що рухаються, температура яких обмежена. Джерела тепла з температурою вище 2000 градусів за Цельсієм, такі як система теплових батарей, запропонована Генрі, були б занадто гарячими для турбін. В останні роки вчені вивчають твердотільні альтернативи — теплові двигуни без рухомих частин, які потенційно можуть ефективно працювати за більш високих температур. «Однією з переваг твердотільних перетворювачів енергії є те, що вони можуть працювати за більш високих температур з меншими витратами на технічне обслуговування, оскільки в них немає частин, що рухаються», — говорить Генрі. "Вони просто надійно генерують електроенергію". Термофотоелектричні елементи запропонували один із шляхів дослідження твердотільних теплових двигунів. Подібно до сонячних елементів, елементи TPV можуть бути виготовлені з напівпровідникових матеріалів з певною шириною забороненої зони — зазором між валентною зоною матеріалу та його зоною провідності. Якщо фотон з досить високою енергією поглинається матеріалом, він може виштовхнути електрон через заборонену зону, де потім електрон може провести, і, таким чином, генерувати електрику — роблячи це без руху роторів або лопатей. ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: Безпілотник Lockheed Martin Stalker VXE встановив рекорд витривалості, тривалість польоту 39 годин На сьогоднішній день більшість осередків TPV досягли ефективності лише близько 20 відсотків, а рекорд – 32 відсотки, оскільки вони були зроблені з матеріалів із відносно вузькою забороненою зоною, які перетворять низькотемпературні низькоенергетичні фотони і, отже, перетворять енергію менш ефективно. У своїй новій конструкції TPV Генрі та його колеги прагнули вловлювати фотони з вищою енергією від джерела тепла з вищою температурою, тим самим ефективно перетворюючи енергію. Нова група команди робить це з матеріалами з більшою шириною забороненої зони і кількома з'єднаннями або шарами матеріалу в порівнянні з існуючими конструкціями TPV. Осередок виготовлений із сплаву з високою шириною забороненої зони, який знаходиться поверх сплаву з трохи меншою шириною забороненої зони, під яким знаходиться дзеркальний шар золота. Перший шар вловлює фотони з найвищою енергією джерела тепла і перетворює їх в електрику, у той час як фотони з нижчою енергією, що проходять через перший шар, захоплюються другим і перетворюються для додавання до напруги, що генерується. Будь-які фотони, які проходять через цей другий шар, потім відбиваються дзеркалом назад до джерела тепла, а не поглинаються у вигляді втраченого тепла. Команда перевірила ефективність комірки, помістивши її над датчиком теплового потоку - пристроєм, який безпосередньо вимірює тепло, що поглинається осередком. Вони піддавали її впливу високотемпературної лампи і концентрували світло на осередку. Потім вони змінювали інтенсивність лампи або температуру і спостерігали, як енергоефективність елемента — кількість виробленої ним енергії в порівнянні з теплом, що поглинається ним, — змінювалася в залежності від температури. У діапазоні від 1900 до 2400 градусів за Цельсієм новий елемент TPV зберігав ефективність близько 40 відсотків. "Ми можемо досягти високої ефективності в широкому діапазоні температур, характерних для теплових батарей", - говорить Генрі.
Схожі матеріали: | |
|
| Всього коментарів: 0 | |
|
СВІЖІ ПУБЛІКАЦІЇ
|
|
|