Soojusest saab vahetult elektrit uue seadmega tõhusamalt kui auruturbiiniga

Selline näeb välja uudne soojuskiirgust elektriks muutev generaator katsestendi paigutatult. Foto: Michogani ülikool

Uue soojust vahetult elektrienergiaks muundava seadmega on saavutatud rekordiline 44 protsendiline tõhusus – võrdluseks suudavad keskmised auruturbiinid jõuda umbes 35 protsendini. See termofotoelement (thermophotovoltaic cell ehk TPV) on oluline samm jätkusuutliku taastuvenergia salvestamise suunas.

Taastuvenergia hindade kiire languse juures on peamine takistus nende episoodilisus – esimene asi, mida iga taastuvenergia skeptik mainib, on: «Aga mis juhtub öösel või kui tuul ei puhu?» Selle probleemi lahendamiseks on olemas «akud», ja pole puudust võrguskaalal salvestussüsteemidest, mis saavad energiat talletada (sõna otseses mõttes) vihmasteks päevadeks. Nende hulka kuuluvad nii klassikalised liitiumioonakud kui ka eksperimentaalsemad akudisainid, nagu raua-õhu, vee-soola, vooluakud (flow batteries) või erinevad vertikaalsed, gravitatsioonil põhinevad süsteemid, milliste hulgas on palju erinevaid lahendusi.

Üks kõige paljutõotavamaid viise on energia salvestamine soojusena. Keskkond ise võib olla selleks vägagi mitmekesine – liiv, sulasool, vulkaaniline tuhk, süsinikplokid, savitellised ja paljud teised on töös – kuid kahjuks on energia tagasisaamine soojusest ja selle muutmine elektriks keeruline.

Siin tuleb mängu uus süsteem. Michigani ülikooli teadlaste välja töötatud seade töötab termofotoelektrilisel põhimõttel. See sarnaneb päikesepatareidega, mis on fotogalvaanilised, genereerides elektrit valgusest. Praktikas tähendab see, et need fotoelektrilised elemendid neelavad footoneid infrapunakiirguse spektriosast, mitte kõrgema energiaga, nähtava valguse footoneid, mida tavalised päikesepatareid püüavad.

Uut termofotoelementi testiti ränikarbiidiga, kuigi selle materjali võiks asendada mis tahes muu sobiva materjaliga. Seda ümbritseb pooljuhtmaterjal, mis on valmistatud indiumist, galliumist ja arseenist, ning see on hoolikalt disainitud püüdmaks võimalikult laia valikut footoneid, eriti neid, mida kuumutatud materjal tekitab.

Kui meeskond kuumutas materjali 1435 °C, hakkas see kiirgama soojusfootoneid erinevatel energiatasemetel, millest 20–30 protsenti on pooljuhtide poolt püütavad. Et kasutada osa neist kõrgema või madalama energiaga footonitest, sisaldab element pooljuhi järel õhukest õhukihti, millele järgneb kullast peegelduskiht. See peegeldab mõned footonid tagasi pooljuhi juurde elektri genereerimiseks.

See disain annabki 44-protsendilise soojuse elektriks muundamise tõhususe. Ka teised disainilahendused on ületanud 40 protsenti, kuid need töötavad palju kõrgematel temperatuuridel, mis võivad olla paljudes olukordades vähem teostatavad.

Idee on selles, et salvestusmaterjali saab kuumutada tuule- või päikesepargi genereeritud elektriga või absorbeerida otse liigset soojust tööstusprotsessidest või Päikese termilise energia süsteemidest. Kuigi selle efektiivsus on ainult pool liitiumioonakude omast, muudab selle palju ohutum ja odavam valmistamine ja kasutamine siiski kulutõhusaks. Meeskond ütleb, et tehnoloogia tõhususel on veel arenguruumi.

«Me pole veel selle tehnoloogia efektiivsuse piirini jõudnud,» ütles uuringu kaasautor Stephen Forrest. «Olen kindel, et me ületame 44 protsenti ja lähitulevikus liigume 50 protsendi poole.» Uuring avaldati ajakirjas Joule. 

Allikas: Michigani ülikool ja New Atlas