یک موتور حرارتی جدید بدون قطعات متحرک به اندازه یک توربین بخار کارآمد است

کمبریج، MA — مهندسان MIT و آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) یک موتور حرارتی بدون قطعات متحرک طراحی کرده اند. تظاهرات جدید آنها نشان می دهد که گرما را با بیش از 40 درصد راندمان به الکتریسیته تبدیل می کند – عملکردی بهتر از توربین های بخار سنتی.

موتور حرارتی یک سلول ترموفتوولتائیک (TPV) است، شبیه به سلول‌های فتوولتائیک پانل‌های خورشیدی، که به طور غیر فعال فوتون‌های پرانرژی را از یک منبع گرمای داغ سفید گرفته و آنها را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. طراحی این تیم می تواند از منبع حرارتی بین 1900 تا 2400 درجه سانتیگراد یا تا حدود 4300 درجه فارنهایت برق تولید کند.

محققان قصد دارند سلول TPV را در یک باتری حرارتی در مقیاس شبکه بگنجانند. این سیستم انرژی اضافی را از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید جذب می‌کند و آن انرژی را در بانک‌های گرافیت داغ عایق‌شده ذخیره می‌کند. هنگامی که انرژی مورد نیاز است، مانند روزهای ابری، سلول‌های TPV گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و انرژی را به شبکه برق ارسال می‌کنند.

با سلول جدید TPV، تیم اکنون با موفقیت بخش های اصلی سیستم را در آزمایش های جداگانه و در مقیاس کوچک نشان داده است. آنها در حال کار برای ادغام قطعات برای نشان دادن یک سیستم کاملاً عملیاتی هستند. از آنجا، آنها امیدوارند که سیستم را برای جایگزینی نیروگاه های سوخت فسیلی افزایش دهند و یک شبکه برق کاملاً کربن زدایی شده را فعال کنند که به طور کامل توسط انرژی های تجدید پذیر تامین می شود.

Asegun Henry، پروفسور توسعه شغلی Robert N. Noyce در بخش مهندسی مکانیک MIT می گوید: «سلول های ترموفوتوولتائیک آخرین گام کلیدی برای نشان دادن اینکه باتری های حرارتی یک مفهوم قابل دوام هستند، بود. این یک گام کاملاً حیاتی در مسیر تکثیر انرژی‌های تجدیدپذیر و رسیدن به یک شبکه کاملاً کربن‌زدایی است.»

هنری و همکارانش نتایج خود را امروز در مجله Nature منتشر کرده اند. نویسندگان مشترک MIT عبارتند از: آلینا لاپوتین، کوین شولت، کایل بوزنیتسکی، کالین کلسال، اندرو روسکوف، و اولین وانگ، پروفسور مهندسی فورد و رئیس دپارتمان مهندسی مکانیک، همراه با همکاران در NREL در گلدن، کلرادو.

پرش از شکاف

بیش از 90 درصد برق جهان از منابع گرمایی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی، انرژی هسته ای و انرژی متمرکز خورشیدی تامین می شود. برای یک قرن، توربین های بخار استاندارد صنعتی برای تبدیل چنین منابع گرمایی به برق بوده اند.

به طور متوسط، توربین های بخار به طور قابل اعتماد حدود 35 درصد از یک منبع گرما را به الکتریسیته تبدیل می کنند که حدود 60 درصد بالاترین راندمان را در بین هر موتور حرارتی تا به امروز نشان می دهد. اما ماشین آلات به قطعات متحرکی که دمای محدودی دارند بستگی دارد. منابع حرارتی بالاتر از 2000 درجه سانتیگراد، مانند سیستم باتری حرارتی پیشنهادی هنری، برای توربین ها بسیار داغ هستند.

در سال‌های اخیر، دانشمندان به دنبال جایگزین‌های حالت جامد-موتورهای حرارتی بدون قطعات متحرک- که به طور بالقوه می‌توانند در دماهای بالاتر کارآمدی داشته باشند، پرداخته‌اند.

هنری می‌گوید: «یکی از مزایای مبدل‌های انرژی حالت جامد این است که می‌توانند در دماهای بالاتر با هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر کار کنند، زیرا قطعات متحرک ندارند. “آنها فقط آنجا می نشینند و به طور قابل اعتماد برق تولید می کنند.”

سلول های ترموفوتوولتائیک یک مسیر اکتشافی به سمت موتورهای حرارتی حالت جامد ارائه کردند. مانند سلول‌های خورشیدی، سلول‌های TPV را می‌توان از مواد نیمه رسانا با شکاف باند خاصی – شکاف بین نوار ظرفیت ماده و نوار رسانش آن – ساخته شد. اگر فوتونی با انرژی کافی بالا توسط ماده جذب شود، می‌تواند یک الکترون را در سراسر شکاف باند لگد بزند، جایی که الکترون می‌تواند هدایت کند و در نتیجه الکتریسیته تولید کند – بدون حرکت روتورها یا تیغه‌ها.

تا به امروز، اکثر سلول‌های TPV تنها به بازدهی حدود 20 درصد رسیده‌اند که رکورد 32 درصد است، زیرا از مواد نسبتاً کم باندی ساخته شده‌اند که فوتون‌های با دمای پایین و انرژی پایین را تبدیل می‌کنند و بنابراین انرژی را با کارایی کمتری تبدیل می‌کنند. .

نور گرفتن

هنری و همکارانش در طراحی جدید TPV خود به دنبال گرفتن فوتون های با انرژی بالاتر از یک منبع گرما با دمای بالاتر بودند و در نتیجه انرژی را به طور موثرتری تبدیل می کردند. سلول جدید این تیم در مقایسه با طرح‌های TPV موجود، این کار را با مواد با شکاف باند بالاتر و اتصالات متعدد یا لایه‌های مواد انجام می‌دهد.

این سلول از سه ناحیه اصلی ساخته شده است: آلیاژی با شکاف باند بالا، که روی یک آلیاژ با فاصله کمی پایین‌تر قرار می‌گیرد و زیر آن یک لایه آینه‌مانند از طلا قرار دارد. لایه اول فوتون های پرانرژی منبع گرمایی را می گیرد و آنها را به الکتریسیته تبدیل می کند، در حالی که فوتون های کم انرژی که از لایه اول عبور می کنند توسط لایه دوم گرفته شده و تبدیل می شوند تا به ولتاژ تولید شده اضافه کنند. هر فوتونی که از لایه دوم عبور می کند، به جای اینکه به عنوان گرمای هدر رفته جذب شود، توسط آینه منعکس می شود و به منبع گرما باز می گردد.

این تیم کارایی سلول را با قرار دادن آن بر روی یک حسگر شار حرارتی – دستگاهی که مستقیماً گرمای جذب شده از سلول را اندازه گیری می کند – آزمایش کردند. آنها سلول را در معرض یک لامپ با دمای بالا قرار دادند و نور را روی سلول متمرکز کردند. سپس شدت یا درجه حرارت لامپ را تغییر دادند و مشاهده کردند که چگونه بازده انرژی سلول – مقدار نیرویی که تولید می کند در مقایسه با گرمایی که جذب می کند – با دما تغییر می کند. در محدوده 1900 تا 2400 درجه سانتیگراد، سلول TPV جدید بازدهی حدود 40 درصد را حفظ کرد.

هنری می‌گوید: «ما می‌توانیم در طیف وسیعی از دماهای مربوط به باتری‌های حرارتی، راندمان بالایی داشته باشیم.

سلول در آزمایش ها حدود یک سانتی متر مربع است. برای یک سیستم باتری حرارتی در مقیاس شبکه، هنری پیش‌بینی می‌کند که سلول‌های TPV باید تا حدود 10000 فوت مربع (حدود یک چهارم زمین فوتبال) مقیاس داشته باشند و در انبارهای تحت کنترل آب و هوا کار کنند تا انرژی را از بانک‌های بزرگ ذخیره‌شده تامین کنند. انرژی خورشیدی. او اشاره می کند که زیرساختی برای ساخت سلول های فتوولتائیک در مقیاس بزرگ وجود دارد که می تواند برای تولید TPV نیز سازگار شود.

هنری می‌گوید: «در اینجا قطعاً یک نکته مثبت بزرگ از نظر پایداری وجود دارد. این فناوری در چرخه زندگی خود بی خطر و از نظر زیست محیطی بی خطر است و می تواند تأثیر فوق العاده ای بر کاهش انتشار دی اکسید کربن از تولید برق داشته باشد.

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت موسسه فناوری ماساچوست منتشر شد