Термофотовольтное (ТПВ) преобразование энергии представляет собой процесс прямого преобразования от тепла к электричеству через фотоны. Основная термофотоэлектрическая система состоит из теплового излучателя и фотоэлектрического диодного элемента.

Температура теплового излучателя варьирует между различными системами от примерно 900 ° С до примерно 1300 ° С, хотя в принципе устройства ТПВ могут извлекать энергию от любого излучателя с температурой, повышенной, чем температура фотоэлектрического устройства (образующего оптический тепловой двигатель). Эмиттер может быть куском твердого материала или специально спроектированной структурой. Темой излучения является спонтанное излучение фотонов из-за теплового движения зарядов в материале. Для этих температур ТПВ это излучение в основном находится на ближней инфракрасной и инфракрасной частотах. Фотоэлектрические диоды поглощают некоторые из этих излучаемых фотонов и преобразуют их в электричество.

Термофотоэлектрические системы имеют мало движущихся частей и поэтому являются тихими и требуют небольшого обслуживания. Эти свойства делают термофотовольтные системы подходящими для удаленных и переносных электрогенерирующих применений.Однако их свойства эффективности затрат часто являются плохими по сравнению с другими электрогенерирующими технологиями. Текущие исследования в этой области направлены на повышение эффективности системы при сохранении низкой стоимости системы.

Системы TPV обычно пытаются сопоставить оптические свойства теплового излучения (длина волны, поляризация, направление) с наиболее эффективными характеристиками поглощения фотогальванической ячейки, поскольку непроизведенное тепловое излучение является основным источником неэффективности. Большинство групп сосредотачиваются на клетках антимонида галлия (GaSb). Германий (Ge) также подходит. Много исследований и разработок касается методов управления свойствами излучателя.

Ячейки TPV были предложены в качестве вспомогательных устройств преобразования мощности для улавливания потерянного тепла в других системах генерации энергии, таких как системы паровых турбин или солнечные элементы.

Был построен прототип гибридного автомобиля TPV, автомобиль с двигателем «Viking 29» (TPV), спроектированный и построенный Институтом исследований транспортных средств (VRI) в Университете Западного Вашингтона.

Исследование TPV является активной областью. Среди прочего, в Университете Хьюстона TPV по разработке радиоизотопной технологии преобразования энергии предпринимается попытка объединить термофотоэлектрическую ячейку с термопарами для обеспечения 3-4-кратного повышения эффективности системы по сравнению с текущими радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

история
В 1956 году Генри Колм создал элементарную систему TPV в Массачусетском технологическом институте. Однако Пьер Эгрэйн широко цитируется как изобретатель, основанный на содержании лекций, которые он дал в Массачусетском технологическом институте в 1960-1961 годах, которые, в отличие от системы Колма, привели к исследованиям и разработкам.

Задний план
Термофотовальтика (TPV) — это класс энергогенерирующей системы, которая преобразует тепловую энергию в электрическую. Они состоят как минимум из эмиттера и фотоэлектрического преобразователя мощности. Большинство систем TPV включают в себя дополнительные компоненты, такие как концентраторы, фильтры и отражатели.

Основной принцип аналогичен принципу традиционной фотогальваники (PV), где pn-переход используется для поглощения оптической энергии, генерации и разделения пар электронов / дырок и при этом преобразует эту энергию в электричество. Разница в том, что оптическая энергия непосредственно не генерируется Солнцем, а вместо этого материалом при высокой температуре (называемым эмиттером), который заставляет ее излучать свет. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в электрическую.

Излучатель может нагреваться солнечным светом или другими методами. В этом смысле TPV обеспечивают большую гибкость в потенциальном топливе. В случае солнечных ТПВ необходимы большие концентраторы для обеспечения приемлемых температур для эффективной работы.

Усовершенствования могут использовать фильтры или селективные излучатели для создания выбросов в диапазоне длин волн, который оптимизирован для конкретного фотовольтаического (PV) преобразователя. Таким образом, TPV могут преодолеть фундаментальную проблему для традиционных PV, эффективно используя весь спектр солнечной энергии. Для излучателей черного тела фотоны с энергией, меньшей, чем ширина запрещенной зоны конвертера, не могут поглощаться и отражаются, теряются или проходят через ячейку. Фотоны с энергией выше запрещенной зоны могут поглощаться, но избыточная энергия, {\ displaystyle \ Delta G = E_ {photon} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {photon} — E_ {g}, снова теряется, создавая нежелательный нагрев в ячейке. В случае TPV аналогичные проблемы могут существовать, но использование генерирующих излучателей (излучателей в определенном диапазоне длин волн) или оптических фильтров, которые пропускают только узкий диапазон длин волн и отражают все остальные, могут быть использованы для генерации спектров излучения который может быть оптимально преобразован с помощью PV-устройства.

Чтобы максимизировать эффективность, все фотоны должны быть преобразованы. Для этого можно использовать процесс, часто называемый рециркуляцией фотонов. Отражатели расположены за конвертером и в другом месте в системе, что фотоны могут быть неэффективно направлены на коллектор. Эти фотоны направляются обратно в концентратор, где они могут быть преобразованы или обратно в эмиттер, где их можно реабсорбировать для получения тепла и дополнительных фотонов. Оптимальная система TPV использовала бы рециркуляцию фотонов и избирательную эмиссию для преобразования всех фотонов в электричество.

КПД
Верхним пределом эффективности TPV (и всех систем, которые преобразуют тепловую энергию в работу) является эффективность Carnot — идеального теплового двигателя. Эта эффективность обеспечивается:

где Tcell — температура PV-преобразователя. Для наилучших разумных значений в практической системе Tcell ~ 300K и Temit ~ 1800, давая максимальную эффективность ~ 83%.Этот предел устанавливает верхний предел эффективности системы. При эффективности на 83% вся тепловая энергия преобразуется в излучение эмиттером, который затем преобразуется PV в электрическую энергию без потерь, таких как термализация или джоулево нагревание. Максимальная эффективность не предполагает изменения энтропии, что возможно только в том случае, если излучатель и ячейка имеют одинаковую температуру.Более точные модели довольно сложны.

излучатели
Отклонения от идеального поглощения и идеального поведения черного тела приводят к потерям света. Для избирательных излучателей любой свет, излучаемый на длинах волн, не соответствующих энергии запрещенной зоны фотогальваники, не может быть эффективно преобразован (по причинам, рассмотренным выше) и приводит к снижению эффективности. В частности, трудно избежать выбросов, связанных с фононными резонансами, для длин волн в глубокой инфракрасной области, которые практически не могут быть преобразованы.Идеальные излучатели не создают инфракрасного излучения.

фильтры
Для излучателей черного тела или несовершенных селективных излучателей фильтры отражают неидеальные длины волн назад к эмиттеру. Эти фильтры несовершенны. Любой свет, который поглощается или рассеивается, а не перенаправляется на излучатель или преобразователь, теряется, как правило, как тепло. Напротив, практические фильтры часто отражают небольшой процент света в желаемых диапазонах длин волн. Оба являются неэффективными.

Преобразователи
Даже для систем, в которые передается только свет оптимальных длин волн, неэффективность, связанная с нерадиационной рекомбинацией и омическими потерями.Поскольку эти потери могут зависеть от интенсивности света, падающего на ячейку, реальные системы должны учитывать интенсивность, создаваемую заданным набором условий (материал эмиттера, фильтр, рабочая температура).

Геометрия
В идеальной системе излучатель будет окружен преобразователями, поэтому свет не будет потерян. Однако, реалистично, геометрия должна учитывать входную энергию (впрыск топлива или входной свет), используемый для нагрева излучателя. Кроме того, расходы запрещают размещение конвертеров повсюду. Когда эмиттер переизлучает свет, все, что не движется к преобразователям, теряется. Зеркала могут использоваться для перенаправления части этого света обратно на излучатель; однако зеркала могут иметь свои собственные потери.

Излучение черного тела
Для излучателей черного тела, где рециркуляция фотонов достигается через фильтры, закон Планка утверждает, что черное тело излучает свет со спектром, определяемым:

где I ‘- поток света определенной длины волны λ, заданный в единицах 1 м3 / с. h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света, а Temit — температура эмиттера. Таким образом, световой поток с длиной волны в определенном диапазоне можно найти путем интегрирования по диапазону. Пиковая длина волны определяется температурой, Temit, основанной на законе смещения Вина:

где b — постоянная смещения Вина. Для большинства материалов максимальная температура, на которой излучатель может стабильно работать, составляет около 1800 ° C. Это соответствует интенсивности, которая достигает пика при λ ~ 1600 нм или энергии ~ 0,75 эВ.Для более разумных рабочих температур 1200 ° C это падает до ~ 0,5 эВ. Эти энергии определяют диапазон запрещенных зон, которые необходимы для практических преобразователей TPV (хотя пиковая спектральная мощность несколько выше). Традиционные фотоэлектрические материалы, такие как Si (1,1 эВ) и GaAs (1,4 эВ), существенно менее практичны для систем TPV, так как интенсивность спектра черного тела чрезвычайно мала при этих энергиях для излучателей при реальных температурах.

Выбор активных компонентов и материалов
излучатели
Эффективность, термостойкость и стоимость являются тремя основными факторами для выбора радиатора TPV. Эффективность определяется поглощенной энергией относительно полного входящего излучения. Высокотемпературная работа является решающим фактором, поскольку эффективность увеличивается с рабочей температурой. По мере повышения температуры излучателя излучение черного тела сдвигается на более короткие длины волн, что позволяет более эффективно поглощать фотогальванические элементы. Стоимость — еще одна важная проблема коммерциализации.

Поликристаллический карбид кремния
Поликристаллический карбид кремния (SiC) является наиболее часто используемым эмиттером для TPV горелок. SiC термостабилен до ~ 1700 ° C. Однако SiC излучает большую часть своей энергии в длинноволновом режиме, гораздо более низком по энергии, чем даже самый узкий запрещенный фотогальванический зонд. Это излучение не преобразуется в электрическую. Однако неабсорбирующие селективные фильтры перед PV или зеркала, нанесенные на задней стороне PV, могут использоваться для отражения длинноволновых волн назад к эмиттеру, тем самым рециркулируя непревращенную энергию. Кроме того, поликристаллический SiC дешев в производстве.

вольфрам
Огнеупорные металлы могут использоваться в качестве селективных излучателей для ТПВ горелки. Вольфрам — самый распространенный выбор. Он имеет более высокую излучательную способность в видимом и ближнем ИК диапазонах от 0,45 до 0,47 и низкую излучательную способность от 0,1 до 0,2 в ИК-области. Эмиттер обычно имеет форму цилиндра с закрытым дном, который можно рассматривать как полость. Эмиттер прикреплен к задней части теплового абсорбера, такого как SiC, и поддерживает ту же температуру.Излучение происходит в видимом и ближнем ИК диапазонах, которые могут быть легко преобразованы PV в электрическую.

Редкие оксиды
Редкие оксиды, такие как оксид иттербия (Yb2O3) и оксид эрбия (Er2O3), являются наиболее часто используемыми селективными излучателями для TPV. Эти оксиды излучают узкую полосу длин волн в ближней инфракрасной области, позволяя приспосабливать спектры излучения к лучшему соответствию характеристикам поглощения конкретной фотоэлемента.Пик спектра излучения имеет место при 1,29 эВ для Yb2O3 и 0,827 эВ для Er2O3. В результате Yb2O3 можно использовать селективный эмиттер для Si PV-клеток и Er2O3 для GaSb или InGaAs. Однако небольшое несоответствие между пиками выбросов и запрещенной зоной поглотителя приводит к значительной потере эффективности. Селективное излучение становится значительным при 1100 ° C и увеличивается с температурой в соответствии с Законом Планка. При рабочих температурах ниже 1700 ° C селективное излучение редкоземельных оксидов довольно низкое, что приводит к дальнейшему снижению эффективности. В настоящее время достигнута эффективность 13% с Yb2O3 и кремниевыми фотоэлементами. В целом селективные излучатели имели ограниченный успех. Чаще всего фильтры используются с излучателями черного тела для пропускания длин волн, согласованных с запрещенной зоной PV, и отражают несоответствующие длины волн назад к эмиттеру.

Фотонные кристаллы
Фотонные кристаллы представляют собой класс периодических материалов, которые позволяют точно контролировать свойства электромагнитных волн. Эти материалы приводят к появлению фотонной запрещенной зоны (PBG). В спектральном диапазоне PBG электромагнитные волны не могут распространяться. Технология этих материалов позволяет некоторым образом адаптировать свои эмиссионные и абсорбционные свойства, позволяя более эффективно создавать селективные излучатели. Селективные излучатели с пиками с более высокой энергией, чем пик черного тела (для практических температур TPV), позволяют использовать более широкие преобразователи запрещенной зоны. Эти конвертеры традиционно дешевле в изготовлении и менее чувствительны к температуре. Исследователи из Sandia Labs продемонстрировали высокую эффективность (34% света, излучаемого селективным излучателем PBG, можно преобразовать в электричество) эмиттер TPV с использованием вольфрамовых фотонных кристаллов. Однако изготовление этих устройств затруднено, а коммерчески невозможно.

Фотогальванические элементы
кремний
Ранняя работа в TPV была сосредоточена на использовании Si PV. Коммерческая доступность кремния, чрезвычайно низкая стоимость, масштабируемость и простота изготовления делают этот материал привлекательным кандидатом. Однако относительно широкая запрещенная зона Si (1.1eV) не идеальна для использования с излучателем черного тела при более низких рабочих температурах. Расчеты с использованием закона Планка, описывающего спектр черного тела в зависимости от температуры, показывают, что Si PVs будет осуществимо только при температурах, намного превышающих 2000 K. Не было обнаружено излучателя, который мог бы работать при этих температурах. Эти инженерные трудности привели к погоне за полупроводниковыми полупроводниками с более низкой зоной.

Использование селективных излучателей с Si PV все еще возможно. Селективные радиаторы устраняют фотоны с высокой и низкой энергией, снижая теплоту. В идеальном случае избирательные излучатели не излучали бы излучение за пределы диапазона преобразователя PV, что значительно повышало бы эффективность преобразования. Никакие эффективные TPV не были реализованы с использованием Si PV.

германий
Ранние исследования низкозонных полупроводников сосредоточены на германии (Ge). Ge имеет запрещенную полосу 0,66 эВ, что позволяет конвертировать гораздо более высокую долю входящего излучения. Однако низкая производительность наблюдалась из-за чрезвычайно высокой эффективной массы электронов Ge. По сравнению с полупроводниками III-V эффективная масса Ge с высокой электронной энергией приводит к высокой плотности состояний в зоне проводимости и, следовательно, к высокой концентрации носителей. В результате диоды Ge имеют быстрый затухающий «темный» ток и, следовательно, низкое напряжение разомкнутой цепи. Кроме того, поверхностная пассивация германия оказалась чрезвычайно сложной.

Антимонид галлия
Галактион-антимонид (GaSb) PV, изобретенный в 1989 году, является основой большинства PV-клеток в современных системах TPV. GaSb представляет собой полупроводник III-V с кристаллической структурой цинковой обманки. Ячейка GaSb является ключевым развитием благодаря своей узкой запрещенной зоне 0,72 эВ. Это позволяет GaSb реагировать на свет на более длинных волнах, чем кремниевые солнечные элементы, что обеспечивает более высокую плотность мощности в сочетании с искусственными источниками излучения.Солнечная батарея с эффектом 35% была продемонстрирована с использованием двухслойного PV с GaAs и GaSb, установив рекорд эффективности солнечных элементов.

Изготовление камеры GaSb PV довольно просто. Пластины GaSb с n-образным типом Czochralski Te-to-commercial коммерчески доступны. Диффузию Zn на паровой основе проводят при повышенных температурах ~ 450 ° C, чтобы обеспечить легирование p-типа.Передние и задние электрические контакты структурированы с использованием традиционных методов фотолитографии, и наносится антибликовое покрытие. Текущая эффективность оценивается в ~ 20% с использованием спектра черного тела 1000 ° C. Радиационный предел эффективности ячейки GaSb в этой установке составляет 52%, поэтому можно сделать все возможное.

Антимонид арсенида индия галлий
Антимонид арсенида индия галлия (InGaAsSb) представляет собой полупроводниковый компонент III-V. (InxGa1-xAsySb1-y) Добавление GaAs позволяет более узкую запрещенную зону (0,5-0,6 эВ) и, следовательно, лучшее поглощение длинноволновых волн. В частности, ширина запрещенной зоны была спроектирована до 0,55 эВ. С этой запрещенной зоной соединение достигало квантово-квантовой эффективности, взвешенной фотоном, на 79% с коэффициентом заполнения 65% для черного тела при 1100 ° C. Это было для устройства, выращенного на подложке GaSb металлоорганической парофазной эпитаксией (OMVPE).Устройства выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и жидкофазной эпитаксии (ЛПЭ). Внутренняя квантовая эффективность (IQE) этих устройств приближается к 90%, а устройства, выращенные другими двумя методами, превышают 95%. Самая большая проблема с клетками InGaAsSb заключается в разделении фаз. Композиционные несоответствия во всем устройстве ухудшают его производительность. Когда можно избежать разделения фаз, IQE и коэффициент заполнения InGaAsSb подходят к теоретическим пределам в диапазонах длин волн вблизи энергии запрещенной зоны. Однако отношение Voc / Eg далека от идеала. Современные методы изготовления PV InGaAsSb являются дорогостоящими и не являются коммерчески жизнеспособными.

Арсенид галлия индия
Арсенид индия галлия (InGaAs) представляет собой полупроводниковый материал III-V. Его можно применять двумя способами для использования в TPV. Когда решетка согласована с подложкой InP, InGaAs имеет запрещенную зону 0,74 эВ, не лучше GaSb. Устройства этой конфигурации были изготовлены с коэффициентом заполнения 69% и эффективностью 15%.Однако для поглощения фотонов с большей длиной волны зонд может быть спроектирован путем изменения отношения In к Ga. Диапазон запрещенных зон для этой системы составляет от 0,4 до 1,4 эВ. Однако эти различные структуры вызывают деформацию с подложкой InP.Это можно контролировать с помощью градуированных слоев InGaAs с различными составами. Это было сделано для создания устройства с квантовой эффективностью 68% и коэффициентом заполнения 68%, выращенным МЛЭ. Это устройство имело запрещенную полосу 0,55 эВ, достигнутую в соединении In0.68Ga0.33As. Преимущество п состоит в том, что он является хорошо развитым материалом. InGaAs могут быть решены идеально, чтобы решетка идеально соответствовала Ge, что приводило к низкой плотности дефектов. Ge в качестве подложки является значительным преимуществом по сравнению с более дорогими или более твердыми производными субстратами.

Антимонид арсенида индия фосфида
Четвертичный сплав InPAsSb выращивали как OMVPE, так и LPE. Когда решетка соответствует InAs, она имеет запрещенную зону в диапазоне 0,3-0,55 эВ. Преимущества системы TPV с такой зазором с низкой зоной не изучены подробно. Поэтому ячейки, содержащие InPAsSb, не были оптимизированы и еще не имеют конкурентоспособной производительности.Наибольший спектральный отклик из исследуемой клетки InPAsSb составлял 4,3 мкм с максимальным откликом при 3 мкм. Хотя это многообещающий материал, он еще не разработан. Для этого и других материалов с низкой полосой пропускания высокий IQE для длинных длин волн трудно достичь из-за увеличения оже-рекомбинации.

Материалы для термофотоэлектрических элементов
Чтобы быть эффективными в термофотоэлектрическом применении, полупроводниковый материал должен, прежде всего, характеризоваться как можно меньшим шириной запрещенной зоны. Обычные значения составляют 1,44 эВ для теллурида кадмия, 1,424 эВ для арсенида галлия или 1,1 эВ для кремния, что слишком велико, поскольку большая часть инфракрасного спектра ускоряет преобразование в электричество этого типа материалов. Для уменьшения достаточной доли инфракрасных длин волн потребуется половинное значение.

Гелевые ячейки
Германий имеет ширину запрещенной зоны только 0,66 эВ, поэтому было очень раннее исследование возможных термофотовольтаических применений. К сожалению, он не выполнил свои обещания из-за очень высокой эффективной массы электронов в этом материале и темного тока, который существенно снижает выходное напряжение компонента.Кроме того, оказалось очень трудным пассивировать поверхность германия, что значительно снижает вероятность того, что в один день в промышленном производстве будут получены термофотовольтаические клетки.

GaSb-клетки
Антимонид галлия галлия использовался в 1989 году для получения термофотоэлектрических клеток 3 и по-прежнему остается ссылкой на поле. GaSb является полупроводником III-V кристаллической структуры цинк-бленде, широко используемой в термофотоэлектрическом домене из-за ширины запрещенной зоны только 0,72 эВ, что позволяет ему захватывать фотоны значительно менее энергичными, чем обычные фотоэлектрические компоненты. Это позволило достичь к 1989 году солнечного элемента GaAs / GaSb с выходом 35%, что составило рекорд в этой области.

Реализация таких ячеек GaSb довольно проста, так как n-легированные GaSb-пластины с теллуром являются коммерчески доступными. Тип легирования р затем может быть выполнен на этих компонентах путем диффузии парообразных примесей цинка при температуре около 450 ° С. Контакты наносятся спереди и сзади металлизацией через образцы, вытравленные фотолитографией, в соответствии с обычными методами, перед просвечиванием лечение.

Текущие урожаи этого типа термофотовольтаических клеток с черным телом при 1000 ° С оцениваются примерно в 20% при теоретическом выходе 52% в этой конфигурации, что означает, что прогресс все еще возможен.

Ячейки InGaAsSb
Относительный состав составляющих материалов InGaAsSb (антимонид и смешанный галлий и арсенид индия) можно регулировать, чтобы получить широкий запрет на разрыв 0,55 эВ, достигнув внутреннего квантового выхода 79% с 65% -ным коэффициентом заполнения для спектра излучения blackbody при 1100 K. Такие компоненты были выполнены на подложке GaSb с помощью металлоорганической парофазовой эпитаксии, молекулярно-лучевой эпитаксии и жидкофазной эпитаксии, достигающей внутренней квантовой эффективности 95% по первым двум методам и 90% — третьей.

Большой трудностью этого материала является его склонность к внутренней гетерогенности, несогласованность его состава, приводящая к появлению в материале отдельных фаз, которые сильно влияют на электронные качества всего компонента.

Ячейки InGaAs
Зазор в полосе состава InGaAs, адаптированный к параметру сетки подложки InP, составляет 0,74 эВ, что немного выше (и поэтому менее подходит для инфракрасного излучения), чем компонент GaSb. Компоненты этого типа могут быть изготовлены с внутренним выходом 15% и коэффициентом заполнения 69%. Чтобы поглощать фотоны с более длинными длинами волн, необходимо отрегулировать состав материала индия на галлий, что позволяет играть на запрещенной зоне от 0,4 эВ до 1,4. эВ. Это, естественно, также приводит к изменению параметра решетки кристаллической решетки, следовательно, ограничений на границе раздела с подложкой. Это можно исправить, отрегулировав состав слоя InGaAs, чтобы постепенно менять его во время его роста на субстрате: таким образом, исходя из молекулярно-лучевой эпитаксии, можно было получить компоненты с внутренним квантовым выходом 68% и коэффициентом заполнения 68%. Этот компонент также имел ширину запрещенной зоны 0,55 эВ, полученную с составом In 0,67 Ga 0,33 As.

Преимущество компонентов InGaAs состоит в том, чтобы полагаться на хорошо контролируемый материал, который можно регулировать с большой точностью, чтобы получить желаемый размер ячейки или запрещенную зазоров. Таким образом, мы можем выращивать такие тонкие слои на германиевой подложке с идеальной сеткой для композиции In 0,015 Ga 0,985 Asand очень мало кристаллических дефектов, причем такой субстрат имеет неоспоримое преимущество по сравнению с более сложными и труднопроизводными субстратами.

Ячейки InPAsSb
Четвертичный сплав InPAsSb был получен металлоорганической парофазной эпитаксией и жидкофазной эпитаксией. При изменении к параметру сетки подложки InAs ее ширина полосы составляет от 0,3 эВ до 0,55 эВ. Интерес термофотоэлектрических систем на основе материалов с такой узкой запрещенной зоной еще недостаточно изучен, поэтому соответствующие ячейки не были оптимизированы, и их производительность не была конкурентоспособной. Тем не менее, получение длинных длин волн с высокой внутренней квантовой эффективностью с узкими запрещенными материалами затруднено увеличением явлений оже-рекомбинации.

Приложения
TPV обещают эффективные и экономически эффективные энергетические системы для военных и коммерческих применений. По сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии, ТПВ горелки имеют небольшие выбросы NOx и практически бесшумны.Солнечные ТПВ являются источником безрецидивной возобновляемой энергии. TPV могут быть более эффективными, чем фотоэлектрические системы, благодаря рециркуляции неабсорбированных фотонов. Однако TPV более сложны, и потери на каждом этапе преобразования энергии могут снизить эффективность. Дальнейшие разработки должны быть сделаны для поглотителя / излучателя и фотоэлемента. Когда TPV используются с источником горелки, они обеспечивают энергию по требованию. В результате энергопотребление не требуется. Кроме того, благодаря близости PV к источнику излучения, TPV могут генерировать плотности тока, в 300 раз превышающие плотности обычных PV.

Манипуляторная мощность
Для диммании Battlefield требуется переносная мощность. Обычные дизель-генераторы слишком тяжелы для использования в полевых условиях. Масштабируемость позволяет TPV быть меньше и легче обычных генераторов. Кроме того, TPV имеют мало выбросов и молчат.Еще одним потенциальным преимуществом является многотопливная операция.

Ранние исследования TPV в 1970-х годах потерпели неудачу из-за ограничений PV. Однако, с реализацией фотоэлемента GaSb, новые усилия в 1990-х годах улучшили результаты. В начале 2001 года JX Crystals поставили зарядное устройство на базе TPV для армии, которое произвело выход 230 Вт с пропаном. В этом прототипе использовался излучатель SiC, работающий на фотоэлементе 1250 ° C и GaSb, и был приблизительно 0,5 м в высоту.Источник питания имел эффективность 2,5%, рассчитанную по отношению мощности, вырабатываемой к тепловой энергии горючего топлива. Это слишком мало для практического использования в битве. Для повышения эффективности должны быть реализованы узкополосные излучатели, и температура горелки должна повышаться. Должны быть реализованы дополнительные этапы регулирования температуры, такие как водяное охлаждение или кипячение охлаждающей жидкости. Несмотря на то, что были продемонстрированы многие успешные прототипы доказательной концепции, никакие портативные источники энергии TPV не достигли тестирования войск или сражения.

космический корабль
Для космических систем выработки электроэнергии должны обеспечивать постоянную и надежную мощность без большого количества топлива. В результате солнечные и радиоизотопные топлива (чрезвычайно высокая плотность мощности и длительный срок службы) являются идеальными источниками энергии. TPV были предложены для каждого. В случае солнечной энергии орбитальный космический аппарат может быть лучшим местом для больших и потенциально громоздких концентраторов, необходимых для практических ТПВ.Однако из-за соображений веса и неэффективности, связанных с несколько более сложным дизайном TPV, обычные PV почти наверняка будут более эффективными для этих приложений.

Вероятно, более интересной является перспектива использования TPV для преобразования энергии радиоизотопа. Выход изотопов является тепловой энергией. В прошлом термоэлектричество (прямое тепловое преобразование без движущихся частей) использовалось из-за эффективности TPV меньше, чем ~ 10% термоэлектрических преобразователей. Двигатели Стирлинга также были рассмотрены, но сталкиваются с проблемами надежности, которые неприемлемы для космических полетов, несмотря на улучшенную эффективность преобразования (& gt; 20%). Однако, с недавними достижениями в области ПЗ с малой шириной полосы, ТПВ становятся более перспективными кандидатами.Был продемонстрирован радиоизотопный преобразователь TPV с 20% -ной эффективностью, который использует вольфрамовый эмиттер, нагретый до 1350 К, с тандемными фильтрами и 0,6 эВ-запрещенной зоной InGaAs PV-конвертер (охлажденный до комнатной температуры).Около 30% потерянной энергии было связано с оптической полостью и фильтрами. Остальная часть была обусловлена ​​эффективностью PV-преобразователя.

Низкотемпературная работа преобразователя имеет решающее значение для эффективности TPV. Нагревательные PV-преобразователи увеличивают темный ток, тем самым снижая эффективность. Преобразователь нагревается излучением от излучателя. В наземных системах разумно рассеять это тепло без использования дополнительной энергии с радиатором. Однако пространство является изолированной системой, где теплоотводы непрактичны. Поэтому крайне важно разработать инновационные решения для эффективного удаления этого тепла или оптимизированных TPV-ячеек, которые могут эффективно работать с более высокотемпературными преобразователями. Оба представляют собой серьезные проблемы. Несмотря на это, TPV предлагают значительные перспективы для использования в будущих космических приложениях.

Коммерческие приложения
Генераторы вне сети
Многие дома расположены в отдаленных регионах, не подключенных к энергосистеме. Там, где это возможно, расширения линий электропередачи могут быть непрактичными. TPV могут обеспечивать непрерывную подачу электроэнергии в домах вне сети. Традиционные PV, с другой стороны, не обеспечивали бы достаточную мощность в зимние месяцы и ночные часы, тогда как TPV могут использовать альтернативные виды топлива для увеличения производства солнечной энергии.

Наибольшим преимуществом для генераторов TPV является когенерация тепла и мощности. В холодном климате он может функционировать как как нагреватель, так и печь и генератор энергии. JX Crystals разработали прототип нагревательной плиты TPV и генератора. Он сжигает природный газ и использует излучатель источника SiC, работающий при 1250 ° C, и фотоэлемент GaSb для вывода 25 000 BTU / час, одновременно генерируя 100 Вт. Однако затраты должны быть значительно уменьшены, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным.

Когда печь используется как нагреватель и генератор, она называется комбинированной тепловой энергией (ТЭЦ). Многие сценарии ТЭС ТПВ были теоретизированы, но наиболее эффективным было использование генератора с использованием кипящей охлаждающей жидкости. Предлагаемая ТЭЦ будет использовать ИК-излучатель SiC, работающий при температуре 1425 ° С, и фотоэлементы GaSb, охлажденные кипящей охлаждающей жидкостью. ТЭЦ ТПВ будет выдавать 85 000 БТЕ / ч и генерировать 1,5 кВт. Расчетная эффективность составит 12,3%, а инвестиции — 0,08 евро / кВтч при условии, что срок службы печи ТЭЦ составляет 20 лет. Ориентировочная стоимость других ТЭЦ, отличных от ТПВ, составляет 0,12 евро / кВтч для ТЭЦ с газовым двигателем и 0,16 евро / кВтч для ТЭЦ на топливных элементах. Эта предлагаемая печь не была коммерциализирована, потому что рынок не считался достаточно большим.

Отдых
TPV были предложены для использования в транспортных средствах для отдыха. С появлением гибридных и других автомобилей с электроприводом стали интереснее электрогенераторы с электрическими выходами. В частности, универсальность TPV для выбора топлива и возможность использования нескольких источников топлива делает их интересными, поскольку появляется более широкий спектр топлива с лучшей устойчивостью.Бесшумная работа TPV позволяет генерировать электричество, когда и где использование шумных обычных генераторов не допускается (т. Е. В «тихие часы» в кемпингах национальных парков), и не беспокоить других. Тем не менее, температуры эмиттера, необходимые для практической эффективности, делают ТПВ в этом масштабе маловероятными.