Forscher haben eine neue Wärmekraftmaschine ohne bewegliche Teile entwickelt

Wissenschaftler der Massachusetts Institute of Technology MIT und das National Energy Laboratory NREL haben gerade Informationen über eine neue Art von Wärmekraftmaschine ohne bewegliche Teile veröffentlicht. Die Maschine hat einen Wirkungsgrad von etwa 40 % und könnte eines Tages in Zukunft herkömmliche Dampfturbinen ersetzen.

Ihre Ergebnisse wurden gerade im veröffentlicht Tagebuch Natur.

genannt a thermophotovoltaische TPV Zelle, hat der neue Motor einige gemeinsame Eigenschaften mit herkömmlichen Photovoltaikzellen, aber er fängt hochenergetische Photonen aus einer weißglühenden Quelle ein, um Strom zu erzeugen. Dieser neue Motor kann Strom aus Temperaturen zwischen 3.400 und 4.300 Grad Fahrenheit 1.900- 2.400 Grad Celsius.

Der zukünftige Plan für die Wärmekraftmaschine besteht darin, die Zellen in eine thermische Batterie im Rastermaßstab einzubauen, die überschüssige Wärmeenergie aus Quellen wie der Sonne absorbieren und diese Energie in stark isolierten Bänken aus heißem Graphit speichern könnte. Wenn die Energie tatsächlich vorhanden istBei Bedarf könnten die TPV-Zellen dann die Wärme in Strom umwandeln und diese in das Netz einspeisen, um die Versorgungslücken aus erneuerbaren Energien zu schließen, wenn sie die Nachfrage nicht decken können.

Das ist jedoch für die Zukunft. Derzeit ist es dem Team gelungen, die Hauptbestandteile eines solchen Systems erfolgreich zu demonstrieren, jedoch in kleinem Maßstab. Sie arbeiten derzeit an einer Möglichkeit, alle Teile zusammenzufügenein Demonstrations-Testbed der realen Sache.

Sobald dies erreicht ist, hoffen sie, das Ding mit dem langfristigen Ziel des Ersetzens zu vergrößern.Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen.

„Thermophotovoltaische Zellen waren der letzte wichtige Schritt, um zu zeigen, dass thermische Batterien ein brauchbares Konzept sind“, erklärt Asegun Henry, Robert N. Noyce Career Development Professor am Department of Mechanical Engineering des MIT. „Dies ist ein absolut entscheidender Schritt auf dem Wegum erneuerbare Energien zu verbreiten und zu einem vollständig dekarbonisierten Netz zu gelangen.“

Dies könnte sich als revolutionär für die Energiewirtschaft erweisen

Derzeit der Löwenanteil von globale Energieproduktion stammt aus Quellen wie Kohle und Erdgas sowie einigen großen erneuerbaren Quellen wie Kernkraft und konzentrierter Sonnenenergie. Die Haupttechnologie, die diese Methoden antreibt, sind Dampfturbinen, die immer noch de facto das Mittel sind, um Wärme in Strom umzuwandeln

Dies hat sich als effektiv erwiesen, aber diese Technologie hat sich seit über einem Jahrhundert kaum verändert. Aber sie sind nicht so effizient, wie sich herausstellt.

Normalerweise sind Dampfturbinen in der Lage, etwa 35 % der von ihrer Wärmequelle bereitgestellten Energie in nützliche Elektrizität umzuwandeln, wobei einige Motoren einen Wirkungsgrad von bis zu 60 % erreichen können. Das ist großartig, aber Dampfturbinen leiden unter einer großen Schwäche- Sie erfordern bewegliche Teile, die mit der Zeit ausfallen können.

Teile müssen auch hohe Temperaturen über lange Zeiträume aushalten können. Teile nutzen sich mit der Zeit ab.

Um dem entgegenzuwirken, haben einige Forscher wie die hinter dem neuen thermophotovoltaischen Motor nach Festkörperalternativen gesucht, die einen direkten Ersatz für traditionelle Dampfmaschinen darstellen könnten.

„Einer der Vorteile von Festkörper-Energiewandlern [ist], dass sie bei höheren Temperaturen mit geringeren Wartungskosten betrieben werden können, da sie keine beweglichen Teile haben“, fügte Henry hinzu. „Sie sitzen einfach da und erzeugen zuverlässig Strom.“

TPV-Zellen könnten genau das Richtige für solche Dinge sein. Sie könnten auch aus halbleitenden Materialien mit hergestellt werden eine bestimmte Bandlücke – die Lücke zwischen dem Valenzband eines Materials und seinem Leitungsband. Wenn unter solchen Umständen ein Photon mit ausreichend hoher Energie vom Material absorbiert wird, kann es ein Elektron über die Bandlücke stoßen, wo das Elektron dann kannleiten und dadurch Strom erzeugen. All dies ohne sich bewegende Rotoren oder Blätter.

Ein enormer potenzieller Segen, um die Abhängigkeit der Weltwirtschaft von dieser alten Technologie und folglich von fossilen Brennstoffen zu verringern.

„In Bezug auf die Nachhaltigkeit gibt es hier definitiv einen großen Nettovorteil“, sagt Henry. „Die Technologie ist sicher, umweltfreundlich in ihrem Lebenszyklus und kann einen enormen Einfluss auf die Verringerung der Kohlendioxidemissionen aus der Stromerzeugung haben.“

Diese Forschung wurde teilweise vom US-Energieministerium unterstützt.

Zusammenfassung:

"Thermophotovoltaik TPV wandelt überwiegend infrarotes Wellenlängenlicht über den photovoltaischen Effekt in Strom um und kann Ansätze zur Energiespeicherung ermöglichen^1,2 und Konvertierung^{3,4,5,6,7,8,9} die Wärmequellen mit höherer Temperatur verwenden als die Turbinen, die heute in der Stromerzeugung allgegenwärtig sind. Seit der ersten Demonstration von TPVs mit einem Wirkungsgrad von 29 % Abb. 1a unter Verwendung eines integrierten Rückseitenreflektors und eines Wolfram-Emitters bei 2.000 °C Ref. ¹⁰, TPV-Herstellung und Leistung haben sich verbessert^11,12. Trotz Vorhersagen, dass die TPV-Effizienz 50 % übersteigen kann Ref. ^11,13,14 liegen die nachgewiesenen Wirkungsgrade immer noch bei nur 32 %, wenn auch bei deutlich niedrigeren Temperaturen unter 1.300 °C Lit. ^13,14,15.Hier berichten wir über die Herstellung und Messung von TPV-Zellen mit Wirkungsgraden von mehr als 40 % und demonstrieren experimentell die Effizienz von High-Bandgap-Tandem-TPV-Zellen.Die TPV-Zellen sind Bauelemente mit zwei Übergängen aus III-V-Materialien mit Bandlücken zwischen 1,0 und 1,4 eV, die für Emittertemperaturen von 1.900–2.400 °C optimiert sind.Die Zellen nutzen das Konzept der spektralen Bandkantenfilterung, um eine hohe Effizienz zu erzielen, indem hochreflektierende Rückflächenreflektoren verwendet werden, um unbrauchbare Sub-Bandlückenstrahlung zurück zum Emitter zu unterdrücken.Ein 1,4/1,2 eV-Gerät erreichte einen maximalen Wirkungsgrad von 41,1 ± 1 % bei einer Leistungsdichte von 2,39 W cm^–2 und einer Emittertemperatur von 2.400 °C. Ein 1,2/1,0 eV-Gerät erreichte einen maximalen Wirkungsgrad von 39,3 ± 1 % bei einer Leistungsdichte von 1,8 W cm^–2 und einer Emittertemperatur von 2.127 °C. Diese Zellen können in ein TPV-System für die Speicherung von Wärmeenergie im Netz integriert werden, um einsatzbereite erneuerbare Energie zu ermöglichen. Dies schafft einen Weg für die Speicherung von Wärmeenergie im Netz, um einen ausreichend hohen Wirkungsgrad und ausreichend niedrige Kosten zu erreichenDekarbonisierung des Stromnetzes ermöglichen."