Hareketli Parçası Olmayan Yeni Bir Isı Makinesiı Geliştirildi
Bir ısı makinesinin elemanlarını fotovoltaik hücrelerle birleştirmek, geleneksel buhar motorlarını değiştirmenin yöntemi olabilir.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) ve Ulusal Enerji Laboratuvarı'ndan (NREL) araştırmacılar, hareketli parçası olmayan yeni bir ısı motoru türü hakkında Nature Dergisi’nde bir makale yayınladılar.
Motor kabaca %40 verimli ve gelecekte geleneksel buhar türbinlerinin yerini alabilir. Termofotovoltaik (TPV) hücre olarak adlandırılan yeni motor, geleneksel fotovoltaik hücrelerle bazı ortak özellikleri paylaşıyor, ancak elektrik üretmek için sıcak bir kaynaktan yüksek enerjili fotonları yakalıyor. Bu yeni motor, 3.400 ila 4.300 derece Fahrenheit (1.900 - 2.400 santigrat derece) arasındaki sıcaklıklardan güç üretebiliyor.
Isı motoru için gelecekteki plan, hücreleri, güneş gibi kaynaklardan gelen aşırı ısı termal enerjisini emebilecek ve bu enerjiyi çok yalıtılmış sıcak grafit depolarda toplayarak, şebeke ölçekli bir termal pile dahil etmektir. Enerjiye gerçekten ihtiyaç duyulduğunda, TPV hücreleri daha sonra ısıyı elektriğe dönüştürebilir ve talebi karşılayamadıklarında, yenilenebilir kaynaklardan gelen arzdaki boşlukları doldurmak için bunu şebekeye geri besleyebilir.
Ancak bu, gelecek için söz konusu. Şu anda ekip, böyle bir sistemin ana bileşenlerini başarılı bir şekilde göstermeyi başardı fakat küçük bir ölçekte… Şu anda, gerçek bir demo test ortamını oluşturmak için tüm parçaları bir araya getirmenin bir yolu üzerinde çalışıyorlar. Bu başarıldığında, uzun vadeli fosil yakıtlı enerji santrallerini değiştirme hedefiyle işi büyütmeyi umuyorlar.
MIT Makine Mühendisliği Bölümü'nde Robert N. Noyce, Kariyer Geliştirme Profesörü Asegun Henry, “Termofotovoltaik hücreler, termal pillerin uygulanabilir bir konsept olduğunu göstermenin son önemli adımıydı. Bu, yenilenebilir enerjiyi yaygınlaştırma ve tamamen karbondan arındırılmış bir şebekeye ulaşma yolunda kesinlikle kritik bir adım” diyorlar.
Bu, enerji endüstrisi için devrim niteliğinde olabilir
Şu anda, küresel enerji üretiminin aslan payı, kömür ve doğal gaz gibi kaynakların yanı sıra nükleer ve konsantre güneş enerjisi gibi bazı büyük ölçekli yenilenebilir kaynaklardan geliyor. Bu yöntemleri yönlendiren ana teknoloji, hala ısıyı elektriğe dönüştürmenin fiili aracı olan buhar türbinleridir. Bunun etkili olduğu kanıtlandı, ancak bu teknoloji bir yüzyıldan fazla bir süredir çok az değişebildi. Hâlâ, ilk ortaya çıktığı gibi, o kadar verimli değil.
Tipik olarak, buhar türbinleri, ısı kaynakları tarafından sağlanan enerjinin yaklaşık %35'ini faydalı elektriğe dönüştürebilir ve bazı motorlar %60'a varan verimlilik sağlayabilir. Bu çok iyi bir gelişme olmakla beraber, ancak buhar türbinlerinin önemli bir zayıf noktası var - zamanla bozulabilen hareketli parçaları var.
Parçalar ayrıca yüksek sıcaklıklara uzun süre dayanabilmelidir. Parçalar eninde sonunda, zamanla yıpranacaktır.Bununla mücadele etmek için, yeni termofotovoltaik motor hakkında çalışanlar gibi bazı araştırmacılar, geleneksel buhar motorlarının doğrudan yerini alabilecek katı hal alternatiflerini araştırdı.
Henry, "Katı hal enerji dönüştürücülerinin avantajlarından biri, hareketli parçaları olmadığı için daha düşük bakım maliyetleriyle daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmeleridir. Orada yerleşik olarak bulunuyor ve güvenilir bir şekilde elektrik üretiyorlar" diyor.
TPV hücreleri bu yoldaki ilerlemeler için sadece bir başlangıç fırsatı olabilir. Ayrıca, belirli bir bant aralığına (bir malzemenin değerlik bandı ile iletim bandı arasındaki boşluk) sahip yarı iletken malzemelerden de yapılabilir. Bu gibi durumlarda, yeterince yüksek enerjiye sahip bir foton malzeme tarafından emilirse, elektronun iletebileceği bant aralığı boyunca bir elektronu itebilir ve böylece elektrik üretebilir. Küresel ekonomilerin bu eski teknolojiye ve ardından fosil yakıtlara olan bağımlılığını azaltmak için büyük bir potansiyel nimete sahiptir.
Henry, "Sürdürülebilirlik açısından kesinlikle çok büyük bir pozitiflik beklenti var. Bu teknoloji güvenlidir, yaşam döngüsünde çevreye zararsızdır ve elektrik üretiminden kaynaklanan karbondioksit emisyonlarının azaltılması üzerinde muazzam bir etkiye sahip olabilir" diyor. Bu araştırma kısmen ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklendi.
Özet:
"Termofotovoltaikler (TPV'ler), ağırlıklı olarak kızılötesi dalga boyundaki ışığı fotovoltaik etki yoluyla elektriğe dönüştürür ve diğer türbinlerden daha yüksek sıcaklıkta ısı kaynakları kullanan enerji depolama ve dönüşüme yaklaşımını mümkün kılabilir. Bugün elektrik üretiminde her yerde kullanılabilir haldedir. Entegre bir arka yüzey reflektörü ve 2.000°C'de bir tungsten emitörü kullanan %29 verimli TPV'lerin ilk ortaya çıkışından bu yana, TPV üretimi ve performansı iyileşmiştir. TPV verimliliklerinin %50'yi aşabileceği tahminlerine rağmen, gösterilen verimlilikler, 1300°C'nin altındaki çok daha düşük sıcaklıklarda da olsa hâlâ sadece %32 kadar yüksektir. Burada, verimliliği %40'tan fazla olan TPV hücrelerinin imalatını ve ölçümüne dikkat çekiyor ve yüksek bant aralıklı tandem TPV hücrelerinin verimliliğini deneysel olarak gösteriyoruz.
TPV hücreleri, 1.900–2.400°C'lik emitör sıcaklıkları için optimize edilmiş, 1.0 ile 1.4 eV arasında bant aralıklarına sahip III–V malzemelerinden oluşan iki bağlantılı cihazlardır. Hücreler, yüksek verim elde etmek için bant kenarı spektral filtreleme konseptinden yararlanır ve kullanılamayan alt bant aralığı radyasyonunu emitöre geri göndermek için yüksek düzeyde yansıtıcı arka yüzey reflektörleri kullanır. 1.4/1.2 eV'lik bir cihaz, 2.39 W cm–2 güç yoğunluğunda ve 2.400 °C emitör sıcaklığında çalışarak maksimum %41,1 ± 1 verimliliğe ulaştı. 1.2/1.0 eV'lik bir cihaz, 1.8 W cm–2 güç yoğunluğunda ve 2.127 °C emitör sıcaklığında çalışırken (39.3 ± 1) maksimum verime ulaştı. Bu hücreler, dağıtılabilir yenilenebilir enerji sağlamak için termal enerji şebekesi depolaması için bir TPV sistemine entegre edilebilir. Bu, termal enerji şebekesi depolamasının, elektrik şebekesinin karbonsuzlaştırılmasını sağlamak için yeterince yüksek verimliliğe ve yeterince düşük maliyete ulaşması için bir yol gösterir."
