«Тепловые батареи» могут эффективно хранить ветровую и солнечную энергию

Как вы храните возобновляемую энергию, когда не светит солнце и не дует ветер? Это один из самых неприятных вопросов, стоящих на пути более экологичной электросети. Массивные аккумуляторные батареи — один из ответов. Но они дороги и лучше всего сохраняют энергию в течение нескольких часов, а не в течение нескольких дней в пасмурную погоду или безветрие. Другая стратегия заключается в использовании избыточной энергии для нагревания большой массы материала до сверхвысоких температур, а затем использования энергии по мере необходимости. На этой неделе исследователи сообщают о значительном улучшении ключевой части этой схемы: устройстве для превращения накопленного тепла обратно в электричество.

Команда Массачусетского технологического института (MIT) и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии добилась почти 30-процентного скачка эффективности термофотоэлектрической (TPV) полупроводниковой структуры, которая преобразует фотоны, испускаемые источником тепла, в электричество, точно так же, как солнечная батарея преобразует солнечный свет в энергию. «Это очень увлекательно», — говорит Андрей Ленерт, инженер-материаловед из Мичиганского университета в Анн-Арборе. «Впервые [TPV] попали в действительно многообещающие диапазоны эффективности, что, в конечном счете, важно для многих приложений». Вместе с соответствующими достижениями, по его словам, новая работа дает значительный импульс усилиям по крупномасштабному развертыванию тепловых батарей в качестве дешевого резерва для систем возобновляемой энергии.

Идея состоит в том, чтобы подавать избыточное ветровое или солнечное электричество на нагревательный элемент, который повышает температуру ванны с жидким металлом или графитового блока до нескольких тысяч градусов. Тепло можно превратить обратно в электричество, производя пар, который приводит в движение турбину, но есть компромиссы. Высокие температуры повышают эффективность преобразования, но материалы турбины начинают разрушаться примерно при 1500°C. TPV предлагают альтернативу: направьте накопленное тепло на металлическую пленку или нить накаливания, заставив ее светиться, как вольфрамовая проволока в лампе накаливания, а затем использовать TPV для поглощения излучаемого света и превращения его в электричество.

Когда в 1960-х годах были изобретены первые TPV, они преобразовывали в электричество лишь несколько процентов тепловой энергии. Эта эффективность подскочила примерно до 30% в 1980 году, и с тех пор она в основном застряла. Одна из причин заключается в том, что вольфрам и другие металлы имеют тенденцию излучать фотоны в широком спектре, от высокоэнергетического ультрафиолетового до низкоэнергетического дальнего инфракрасного. Но все фотоэлектрические элементы, включая TPV, оптимизированы для поглощения фотонов в узком диапазоне, а это означает, что свет с более высокими и более низкими частотами имеет тенденцию теряться.

Для нового устройства Асегун Генри, инженер-механик Массачусетского технологического института, возился как с излучателем, так и с самим TPV. Предыдущие установки TPV нагревали излучатели примерно до 1400°C, что максимально увеличивало их яркость в диапазоне длин волн, для которого были оптимизированы TPV. Генри стремился поднять температуру на 1000°C выше, когда вольфрам излучает больше фотонов при более высоких энергиях, что могло бы улучшить преобразование энергии. Но это означало и переделку TPV.

Вместе с исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии команда Генри уложила более двух десятков тонких слоев различных полупроводников, чтобы создать две отдельные ячейки, расположенные друг над другом. Верхняя ячейка поглощает в основном видимые и ультрафиолетовые фотоны, тогда как нижняя ячейка поглощает в основном инфракрасное излучение. Тонкий золотой лист под нижней ячейкой отражает низкоэнергетические фотоны, которые TPV не смогли собрать. Вольфрам поглощает эту энергию, предотвращая ее потерю. В результате, как сообщает группа сегодня в журнале Nature, появился тандем TPV, который преобразует 41,1% энергии, излучаемой вольфрамовой нитью накаливания при температуре 2400°C, в электричество.

Команда Генри видит способы добиться еще большего успеха. В выпуске журнала Nature от 8 октября 2020 года Ленерт и его коллеги сообщили о зеркале, способном отражать почти 99% непоглощенных инфракрасных фотонов обратно в источник тепла. Соединение зеркала с улучшенными TPV группы MIT может дать еще один большой импульс. «Мы думаем, что у нас есть четкий путь к 50% эффективности», — говорит Генри.

TPV сделаны из полупроводников III-V, названных в честь того, где их составные элементы попадают в периодическую таблицу, которые дороже, чем кремний, используемый в солнечных элементах на крышах. А вот другие части термобатареи, в том числе и графитовые, стоят дешево. В статье 2019 года Генри и его коллеги подсчитали, что даже 35-процентная эффективность преобразования тепла в электричество сделает технологию экономически жизнеспособной. Команда также создала керамические насосы, которые могут работать со сверхвысокотемпературными жидкими металлами, необходимыми для переноса тепла по установке для хранения тепловой энергии в промышленных масштабах. «Они создали основу для хранения и преобразования тепла при таких высоких температурах», — говорит Ленерт.

Этот прогресс вызвал коммерческий интерес. Antora Energy в Калифорнии запустила компанию по производству тепловой энергии в 2016 году. Ленерт и другие присматриваются к собственным стартапам. А недавно Генри запустил предприятие — Thermal Battery Corp. — для коммерциализации технологии своей группы, которая, по его оценкам, может хранить электроэнергию по цене 10 долларов за киловатт-час мощности, что составляет менее одной десятой стоимости литий-ионных аккумуляторов для сетей. «Хранение энергии в виде тепла может быть очень дешевым», даже в течение многих дней, говорит Алина Лапотин, аспирант Массачусетского технологического института и первый автор текущей статьи в Nature.

Генри и другие добавляют, что системы хранения тепла являются модульными, в отличие от электростанций, работающих на ископаемом топливе, которые наиболее эффективны в масштабе гигаватт. «Это делает их одинаково хорошими для обеспечения электроэнергией небольшой деревни или крупной электростанции», — говорит Алехандро Датас, инженер-электрик из Политехнического университета Мадрида, — а также для хранения энергии от солнечных и ветряных электростанций любого размера. «Вот красота».

батареи,  энергия,  солнечная,  ветер 

14.04.2022, 52993 просмотра.