90 % der Elektrizität auf der Erde stammt aus dem Prozess der Umwandlung von Wärme aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und Kernreaktionen oder der Speicherung von Solarenergie. All diese Prozesse finden unter Verwendung hochentwickelter und verschleißanfälliger Geräte statt. Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology und des NREL-Labors haben eine erstaunliche Alternative zu all dem vorgeschlagen - Festkörper-Wärmekraftmaschinen ohne bewegliche Teile mit einem Rekordwirkungsgrad.
„Einer der Vorteile von Festkörper-Leistungswandlern ist, dass sie bei höheren Temperaturen mit geringeren Wartungskosten betrieben werden können, da sie keine beweglichen Teile haben“, sagte einer der Hauptautoren der Studie. „Sie sitzen einfach da und erzeugen zuverlässig Strom.“
Die Wissenschaftler verwendeten Halbleitermaterialien, aus denen sie aus mehreren Schichten eine thermophotovoltaische Zelle (Thermophotovoltaik, TPV) ähnlich den photovoltaischen Zellen einer herkömmlichen Solarbatterie erstellten. Wie in einer Solarzelle absorbieren die Schichten einer thermophotovoltaischen Zelle nicht nur Photonen des sichtbaren Lichts, sondern werden von einem heißen Speichermaterial emittiert.
Die erste Schicht des von amerikanischen Wissenschaftlern vorgeschlagenen TPV-Elements absorbierte Photonen mit der höchsten Energie, die zweite mit deutlich geringerer Energie, und die dritte Schicht – in Form einer Goldplatte – reflektierte die restliche Wärmestrahlung zurück in den Wärmespeicher , wodurch verhindert wird, dass es ohne Verwendung ausläuft. Ein experimentelles Element mit einer Seitenlänge von 1 cm zeigte einen Rekordwirkungsgrad für Festkörper-Wärmekraftmaschinen - mehr als 40 %, was über dem Durchschnitt herkömmlicher Dampfturbinengeneratoren (35 %) liegt.
Der Übergang zu thermophotovoltaischen Zellen, die im Temperaturbereich von 1900 bis 2400 °C arbeiten, half dabei, einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Für zuvor vorgeschlagene TPV-Elemente mit einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur war der Wirkungsgrad nicht höher als 20 %.
Laut Wissenschaftlern wird ein Kraftwerk nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit einer Elementfläche von 1000 m2 wirtschaftlich rentabel sein. Der Wärmespeicher kann durch Sonneneinstrahlung beheizt werden. Nachts und an bewölkten Tagen kann Wärme in Strom umgewandelt werden, indem einfach thermophotovoltaische Zellen an das Netzwerk angeschlossen werden. Diese Technologie wird die Welt ohne schädliche Emissionen im Energiesektor schaffen, da sind sich Wissenschaftler sicher.
2022-04-14 19:07:51
Autor: Vitalii Babkin