Termofotowoltaika - czy to przyszłość energetyki? Rekord sprawności

Silniki cieplne to urządzenia, które przetwarzają ciepło na energię elektryczną - najbardziej powszechnym przykładem są turbiny parowe. Ponad 90 proc. energii elektrycznej na świecie jest wytwarzane z ciepła, w taki czy inny sposób, a silniki cieplne to urządzenia, które obsługują proces konwersji. Mówiąc bardziej szczegółowo większość światowej energii elektrycznej jest produkowana przez turbiny parowe, czy to w elektrowniach węglowych, gazowych czy w jądrowych.

Ogniwa termofotowoltaiczne (TPV) to kolejny rodzaj silnika cieplnego. Wykorzystują materiały półprzewodzące do bezpośredniej konwersji fotonów ze źródła ciepła na energię elektryczną. Podobnie jak ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa TPV nie mają żadnych ruchomych części, co czyni je tańszymi w utrzymaniu niż turbiny parowe. Mogą one również przetwarzać ciepło o wyższej temperaturze niż turbiny, co zwiększa ich wydajność.

Jednak tradycyjnie, ogniwa termofotowoltaiczne (TPV) nie są tak wydajne jak turbiny, przetwarzając zaledwie 20 proc. energii cieplnej na elektryczną. Zatem ich sprawność jest wyraźnie mniejsza turbin parowych, które średnio uzyskują 35 proc. sprawności.

I tu wchodzi nowy typ silnika cieplnego, opracowany przez naukowców z MIT i Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL), który jak wynika z danych eksperymentalnych prześciga wydajność turbiny parowej. Jeszcze w 2019 roku naukowcy z MIT przewidywali, że uzyskanie współczynnika sprawności ogniw TPV do 35 proc. sprawiłoby, że systemy baterii termicznych stałyby się komercyjnie opłacalne. I ostatnio we współpracy z naukowcami z NREL zaprojektowali taką konstrukcję TPV, który może przekształcić ciepło w energię elektryczną z wydajnością około 40 proc.

Kluczem do  osiągnięcia tak wysokich poziomów sprawności było zastosowanie w ogniwach TPV wielu warstw różnych materiałów półprzewodnikowych. Niektóre z nich absorbują fotony w większości długości fal widzialnych i ultrafioletowych, inne zaś podczerwień. Pozłacane zwierciadło w ogniwie odbija wszelkie nie absorbowanie fotony z  powrotem do źródła ciepła, co pozwala zminimalizować straty energetyczne.

Prototyp silnik cieplnego TPV zespołu MIT i NREL ma rozmiar około jednego centymetra kwadratowego (1). Zdaniem badaczy technika ta powinna się dobrze skalować i dać się wygodnie stosować z połączeniu ze źródłami energii odnawialnej, zwłaszcza farmami fotowoltaicznymi, jako magazyny energii przechowujące np. zgromadzoną w lecie energię słoneczną do zimy, gdy jest ona potrzebna. Odpowiednio izolowane "baterie termiczne" są znacznie efektywniejszym i mniej stratnym rozwiązaniem niż akumulatory elektrochemiczne.

Tym samym TPV stanowiłyby rozwiązanie poważnego problemu, jakim jest stabilizacja dostaw energii z systemów opartych na odnawialnych źródłach energii. 

Mirosław Usidus