Termofotovoltaika
Jeden způsob jak snížit energetické ztráty světelné absorpce, která se vyskytuje v běžných fotovoltaických článcích, je snížit energii dopadajících fotonů k hodnotám blížícím se šířce zakázaného pásu. To je základní myšlenka termofotovoltaické konverze. Světlo (nebo teplo z dalšího zdroje) je absorbováno v zářiči, který je tak vyhříván na dostatečně vysokou teplotu, obecně mnohem nižší než je teplota Slunce. Rozpálený zářič pak vyzařuje energii na fotovoltaický článek.
ÚVOD A OBECNÉ INFORMACE
Původním myšlenkou termofotovoltaiky bylo řešení, jak přeměnit tepelnou energie na elektrickou energii [1][2]. Výzkumný program zaměřený na tuto myšlenku v sedmdesátých letech minulého století přišel z možností, jak využít tuto konverzi k vysoce účinné přeměně slunečního záření [3]. Bohužel se nepodařilo vyvinout funkční systém, ale výsledkem tohoto výzkumu byl rozvoj koncentrátorových solárních systému založených na nových principech, které i v současnosti drží rekord v přímé solární konverzní účinnosti [4]. Zájem o tento přístup se znovu objevil v nedávné době v kontextu vývoje kompaktních energetických zdrojů pro vesmírné účely, používající fosilní paliva jako primárního zdroje energie 1998 [5] a dokonce bylo navrženo první vozidlo, které využívá tento princip k svému pohonu. Jedná se o pokusnou konstrukci automobilu Viking 29, který v USA staví Institut výzkumu motorových vozů (WRI) a společnost JX Crystals z Issaquah. Zdrojem energie sportovně vyhlížejícího vozu je pro tento účel speciálně vyvíjený termofotovoltaický generátor s výkonem 10 kW. Centrální hořák článku spaluje stlačený zemní plyn, přičemž plamen má teplotu 1700 stupňů Kelvina (1427 °C). Hořák obklopuje emitor infračerveného záření, za nímž jsou fotoelektrické články na bázi sloučeniny galia a arsenu. Těchto jednotek je pod kapotou osm, jedná se tedy jakýsi "Termofotovoltaický osmiválec".
Vyrobená elektrická energie se "uskladňuje" v niklkadmiovém akumulátoru s životností 10 let, a pohon zajišťuje elektromotor s výkonem 53 kW. Efektivnost provozu hlídá počítačová jednotka. Systém používá vysoké napětí 360 V, proto konstruktéři zvolili za konstrukční materiál vozu izolant - laminát a uhlíková vlákna. Předběžné testy ukázaly, že ve výfukových plynech je 50x nižší obsah škodlivých látek, než jaký produkuje běžný spalovací motor stejného výkonu.
Obr. 1. Viking 29. 53kW, Osm termofotovoltaických systémů po 10 kW.
Nejjednoduší řešení termofotovoltaického systému je na zobrazeno na obr. 2. Lze využít pro snadnější pochopení celého systému.
Obr 2. Termofotovoltaická konverze
Světelná a tepelná energie je absorbována v zářiči, který je tak vyhříván na dostatečně vysokou teplotu, obecně mnohem nižší než je teplota slunce. Rozpálený zářič pak vyzařuje energii na optimálně naladěný fotovoltaický článek. Přestože mnoho fotonů emitovaných zářičem může mít energii nedostatečnou pro přímé využití v článku, mohou být odraženy zpět na zářič a pomoci k udržení jeho dostatečné teploty. Výsledkem je, že jejich energie tak nepřispívá ke ztrátám systému, ale je znovu využita a může být přeměněna na elektrickou energii při dalším vyzáření fotonu.
Současný vylepšený návrh termofotovoltaického systému je zobrazen na dalším obrázku obr. 3 [7].
Obr. 3. Termofotovoltaická konverze (Vylepšená varianta)
Tento návrh vychází z myšlenky chlazení pomocí "ideální" světlo vyzařující diody (LED), která může zlepšit fotovoltaickou konverzi. Taková dioda může právě v ideálním případě emitovat foton s energií větší než je šířka zakázaného pásu s využitím elektronu, který má jen zlomkovou energii zakázaného pásu. Takto vypadající paradox je možný díky tomu, že dioda absorbuje teplo z přechodu a z kontaktů pro vytvoření energetické požadované energetické rovnováhy [8][9]. Konstrukce takového systému, zobrazená na obr. 3, je téměř symetrická, až na to, že teplo je přiváděno pouze na jednu stranu - LED diodu, a tak ji udržuje na vyšší teplotě než druhou stranu - solární článek. Druhá strana - solární článek je udržován na teplotě okolí. Obě diody (LED a solární článek) tvoří optický pár, ale navzájem jsou tepelně izolovány. Pokud obě diody pracují v zářivém módu, teplo zásobující horkou stranu je přeměněno v elektrický proud a ten procházející oběma diodami ve směru znázorněných šipek. Účinnost této transformace může dosáhnout Carnotova limitu pro konverzi teploty pro teplo studený stroj.
TEPELNÁ SOLÁRNÍ KONVERZE
Na obr. 4. je znázorněn systém tepelné konverze, ve kterém maximální účinnost solární konverze byla navržena pro systém založený na absorbéru s velmi dobrými absorpčními vlastnostmi na jedné straně a s nízko vyzařujícími vlastnostmi na straně druhé.
Obr. 4. Fototermický systém založený na konverzi tepla v absorbéru s Carnotovou účinností
Pro přímou sluneční konverzi (fS = fC), bude maximální možná konverzní účinnost pro absolutně černé těleso dáno vztahem:
První člen reprezentuje čistý zářivý tepelný vstup do absorbéru (sluneční záření snížené o zpětně vyzářenou teplo). Druhý člen reprezentuje konverzi tohoto tepla s Carnotovými omezeními v systému pracujícím mezi teplotou absorbéru a teplotou okolí (TR - teplota absorbéru, TA - teplota okolí). Přestože tato rovnice předpovídá optimistickou účinnost 85,4 % pro přímé sluneční záření s teplotou absorbéru 2544K, výpočtem pro difúzní sluneční záření dostaneme již jen skromnou 11,7 % účinnosti.
Jak může být tato nízká účinnost zlepšena? Je celkem dobře známá technika z oblasti solárních termálních kolektorů využívající energeticky selektivní absorbéry. Ty mají dobré absorpční vlastnosti fotonů s vysokou energií, které jsou charakteristické pro maximum spektra slunečního záření, ale nizké absorpční a tím i emisní charakteristiky v oblasti nízkých energií, ve kterých by naopak neselektivní absorbér měl maximální emisi. Tím lze snížit emisi záření absorbéru a udržet tak rozumný sluneční zisk.
Zatímco takto navržený energeticky selektivní absorbér nijak výrazně nezvyšuje účinnost fototermické konverze přímého slunečního záření, selektivní absorbéry mají velký dopad na účinnost konverze difúzního světla. Použitím selektivního absorbéru lze pak zvýšit limitní účinnost takového systému na 53,6% pro prahovou energii 0,9 eV [10].
Pro výrobu selektivního absorbéru lze využít již několik známých technik z oblasti technologií fotovoltaických článků, jako je interferenční pasivační vrstva [11] a speciální texturace povrchu [6].
TERMOFOTOVOLTAICKÁ SOLÁRNÍ KONVERZE
Jestliže se předpokládá, že absorbér bude mít vlastnosti ideálního černého tělesa z obou stran, pak by teplo z něho bylo extrahováno jen zářením do solárního článku. Tato analýza by v tomto případě byla velmi podobná analýze solární energetické konverze, kde je slunce modelováno zářičem s vlastnostmi absolutně černého tělesa až na to, že v tomto případě bude započítávána i možná recyklace fotonů.
Materiál s širokým zakázaným energetickým pásem bude velice citlivý k účinnosti takové fotonové recyklaci, protože ve slunečním záření je obsaženo daleko více fotonů, které mají energii menší než je jeho šířka zakázaného pásu. Protože tyto fotony se neúčastní fotovoltaického procesu, snížením jejich počtu by mohlo vest ke zlepšení celkového navrhovaného procesu. Například, pokud vyzařovaný povrch bude z materiálu se stejnou šířkou zakázaného pásu jako materiál fotovoltaického článku, emitované spektrum záření bude obsahovat jen velmi malý počet takovýchto nízkoenergetických fotonů.
Tato myšlenka vedla ke konceptu energeticky selektivních emitorů [11] které emitují světlo je v úzkých šířkách spektrálního pásma.
Podobný efekt na výkon, odpovídající selektivní emise, lze docílit i pomocí úzkopásového filtru vloženého mezi emitor a fotovoltaický článek. Tento filtr propouští jen světlo s úzkou energetickou šířkou ΔE, začínající na šířce zakázaného pásu Ef. Všechny ostatní energie jsou odraženy zpět.
Obr. 5 Termofotovoltaická konverze s úzkopásovým filtrem
ZÁVĚR
Termofotovoltaika a termofotonická konverze je jednou s dalších možností jak dosáhnout teoretických hranic účinnosti přeměny světelné a tepelné energie na energii elektrickou. Bohužel kromě několika praktických aplikací tato oblast bude vyžadovat ještě další výzkum a nelze očekávat, že nalezne široké uplatnění v nejbližší době.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem MŠMT České republiky č. MSM0021630516.
ODKAZY NA LITERATURU A ZDROJE
[1] GREEN AG: Third Generation Photovoltaics, Advanced Solar Energy Converison, Springer, 2006
Vyjádření recenzenta:
Převážná většina výzkumu přeměny energie slunečního svitu na elektrickou energii se soustředí na fotovoltaické články, nicméně, stojí za to připomenout, že fotovoltaika je vlastně jen speciálním případem termofotovoltaiky. Praktické použití termofotovoltaiky je v současnosti velmi omezené, nicméně je to směr s lákavými možnostmi pro použití v kosmu i např. v kogenereračních domácích jednotkách. Inspiruje proto k výzkumu v řadě směrů, především článků s úzkým zakázáným pásem, selektivních emiterů a absorbérů a dalších.
Článek pana Jiřího Vaňka je vhodným shrnutím tématiky a myslím, že bude pro čtenáře TZB-info bezpochyby zajímavý. Ve výkladu principů termofotovoltaiky sleduje zdařilý postup výkladu z knihy Third Generation Photovoltaics prof. M. Greena. Rozsah příspěvku p. Vaňka je samozřejmě podstatně kratší, ale přesto dobře poslouží zainteresovanému čtenáři pro informaci o tom, kterými směry se ubírá výzkum přeměny energie.
Antonín Fejfar
Fyzikální ústav AV ČR Praha
One of ways how to utilise higher amount of energy from solar irradiation is conversion of energy of incident photons to a level close to band gap of the semiconductor material. This is the main idea of thermophotovoltaics. Light from the Sun (or heat from another source) is absorbed in emitter which is heated to a temperature much lower then the temperature of the surface of the Sun. Heated emitter then emits photons with lower energy. The goal is to manufacture selective emitter which emits photons in narrow band only slightly above to bandap of used photovoltaic cell.