Termofotovoltaika. Jakub Lelek 1/24 19/05/14. Jakub Lelek

Transkript

1 1/24 19/05/14

2 Historie - Henry Kolm, MIT, Pierre Aigrain, MIT, přednášky v 70. letech minulého století ústup vývoje - přesun hlavního vývoje do Evropy - rozvoj v posledních 15 letech - Nelson, Robert E. "A brief history of thermophotovoltaic development." Semiconductor Science and Technology 18.5 (2003): S141. Převzato z 2/24 19/05/14 Převzato z m=people&kv=5300&i=167236

3 Základní principy - převod tepelné energie na elektrickou - podobně jako v případě klasické fotovotaiky využití polovodičů a p-n přechodů - využití uzkého pásu frekvencí, zbytek se odráží zpět do zdroje záření, což vede na další zahřívání zdroje a další generaci záření o požadované frekvenci - emitor, filter-zrcadlo, IR fotovoltaický článek 3/24 19/05/14 Převzato z Bermel, Peter, et al. "Design and global optimization of high-efficiency thermophotovoltaic systems." Optics express (2010): A314-A334.

4 Geometrie - rovinná, cylindrická - využití selektivních prvků Převzato z Bermel, Peter, et al. "Design and global optimization of high-efficiency thermophotovoltaic systems." Optics express (2010): A314-A334. Převzato z Převzato z Celanovic, Ivan, Peter Bermel, and Marin Soljacic. "Thermophotovoltaic power conversion systems: current performance and future potential." Invitied Review Article in Oyo Buturi (Japan Society of Applied Physics) 80.8 (2011): 6. 4/24 19/05/14

5 Geometrie Převzato z Bauer, Thermophotovoltaics. Basic Principles and Critical Aspects of System Design. Springer, Berlin, /24 19/05/14

6 Emitory a zdroje záření - ideálně monochromatický IR zdroj nebo absolutně černé těleso s filtry, vyzařování při zahřívání - wolframová destička s mikrorezonátory, SiC, fotonické krystaly, oxidy vzácných zemin (Yb2O3) Převzato z - sluneční záření - jaderná energie, rozpad izotopů - řízené spalování 6/24 19/05/14

7 Emitory a zdroje záření Převzato z Bermel, Peter, et al. "Design and global optimization of high-efficiency thermophotovoltaic systems." Optics express (2010): A314-A334. 7/24 19/05/14

8 Emitory a zdroje záření Převzato z Bermel, Peter, et al. "Design and global optimization of high-efficiency thermophotovoltaic systems." Optics express (2010): A314-A334. 8/24 19/05/14

9 Filtry - zrcadla - uzká propustnost v IR, velká reflexe jinde, malá absorbce - interferenční dobrá propustnost, nízká absorbce, horší odraznost pro dlouhé vlny; dielektrické vrstvy - plazmové dobrá odrazivost, absrobce v propouštěném spektru; metalodielektrické vrstvy - kombinované interferenční a plazmové interferenční před plazmovými - maticové fotonické krystaly 9/24 19/05/14

10 Fotovoltaické články - Si dostupný, levný, ale široký pás (1.1eV, teploty nad 2000 C, leda selektivní emitory) - Ge pás 0.66eV, ale velká hustota stavů - GaSb dnes nejčastější základ TPV článků, III-V polovodič, šířka pásu 0.72eV - InGaAsSb III-V, užší pás než GaSb ( eV) nejčastěji 0.55eV, ale drahá a náročná příprava, - InGaAs III-V, pás v závislosti na poměru látek v rozmezí eV, relativně dobře zvládnutá příprava - InPAsSb III-V, eV, dosud nepoužívaný, vývoj a možné uplatnění v budoucnu 10/24 19/05/14

11 Fotovoltaické články Převzato z Ferrari, Claudio, et al. "Thermophotovoltaic energy conversion: Analytical aspects, prototypes and experiences." Applied Energy 113 (2014): /24 19/05/14

12 Fotovoltaické články 2360K Účinnost 54,2% 1300K Účinnost 44,7% Převzato z Bermel, Peter, et al. "Design and global optimization of high-efficiency thermophotovoltaic systems." Optics express (2010): A314-A /24 19/05/14

13 Výhody a nevýhody termofotovoltaiky + vysoká spolehlivost, malá údržba, minimální hluk a pohyblivé části + vysoká variabilita zdrojů + nízká míra znečištění, dlouhá doba funkčnosti + dostupnost a otestování většiny jednotlivých komponent + teoreticky vysoká celková účinnost (i přes 50%) vysoké rozdíly teplot na radiátoru a článku, práce ve vysokých teplotách - design celého systému (ztráty apod.) - v současné době vysoká cena 13/24 19/05/14

14 Možnosti využití V nejbližší budoucnosti - rekreační využití (jachty), vojenské využití V blízké budoucnosti - komerční sféra, záložní a přenosné zdroje energie Vzdálenější budoucnost - obydlí (kombinované vytápění a energie CHP), doprava (hybridní motory), zdroje elektřiny, energetika, zdroje pro vesmírné sondy apod. 14/24 19/05/14

15 Využití v dopravě - zdroj elektrické energie pro elektroautomobily - Viking 29 - generátor o výkonu 10kW, GaSb články, teploty zdroje (spalování plynu) 1700K - motor o výkonu 53kW Převzato z - využití tepla pro funkci alternátoru problém relativně nízkých teplot 15/24 19/05/14

16 Armádní aplikace Zdroje energie na nukleárních ponorkách - jako zdroj tepla slouží jaderný reaktor - výhody v minimálním hluku, minimum pohyblivých součástí - Howard, John N. Thermophotovoltaic energy conversion in submarine nuclear power plants. Diss. Monterey, California. Naval Postgraduate School, Mobilní zdroje energie - možnost napájení elektrických zařízení z široké škály tepelných zdrojů 16/24 19/05/14

17 Energetika - využití různých zdrojů tepla - spalování, jaderné reakce, sluneční záření - doplněk jiných zdrojů energie využití unikajícího tepla - ekologický zdroj energie nezávisející na slunečním záření - alternativní způsob přeměny tepla na elektrickou energii (vůči zahřívání vody a mechanickému roztáční turbín) - v obydlích může sloužit jako zdroj tepla i energie (CHP-Combined Heat and Power) 17/24 19/05/14

18 Vesmírný výzkum - odolný a spolehlivý zdroj pro sondy putující hluboko do vesmíru - pomalu se rozpadající radionuklid může sloužit jako zdroj tepla - dlouhá životnost zdroje napájení Komerční sféra - využití zmíněných aplikací i pro soukromé osoby a jednotlivce - s postupným vývojem možnou velkovýrobou se dá očekávat pokles ceny 18/24 19/05/14

19 Současný stav Převzato z Ferrari, C., et al. "Overview and Status of Thermophotovoltaic Systems." Energy Procedia 45 (2014): /24 19/05/14

20 Děkuji za pozornost Doporučená literatura/články - všechny použité citace (převzaté obrázky) kniha T. Bauer, Thermophotovoltaics: Basic Principles and Critical Aspects of System Design, Springer /24 19/05/14

21 Apendix Současný stav a co čekat dále Převzato z Ferrari, C., et al. "Overview and Status of Thermophotovoltaic Systems." Energy Procedia 45 (2014): /24 19/05/14

22 22/24 19/05/14 Převzato z Ferrari, C., et al. "Overview and Status of Thermophotovoltaic Systems." Energy Procedia 45 (2014):

23 Současný stav a co čekat dále Převzato z Bauer, Thermophotovoltaics. Basic Principles and Critical Aspects of System Design. Springer, Berlin, /24 19/05/14

24 Současný stav a co čekat dále Převzato z Bauer, Thermophotovoltaics. Basic Principles and Critical Aspects of System Design. Springer, Berlin, /24 19/05/14