MIT ve NREL, Şebeke Ölçekli Termal Piller için %40 Verimli Termofotovoltaik Hücre Geliştirdi

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) ve ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'ndan (NREL) bir grup araştırmacı, beyaz-sıcak bir ısı kaynağından yüksek enerjili fotonları toplayabilen ve onları elektriğe dönüştüren bir termofotovoltaik (TPV) hücre üretti.

Cihaz, 1.900 ile 2.400 C arasındaki bir ısı kaynağından güç üretebilen, hareketli parçası olmayan bir ısı motoru olarak tanımlanmaktadır. Bu konsept, termal enerji şebekesi depolaması (TEGS) olarak biliniyor. 2.000 C'nin üzerinde ısıyı elektriğe dönüştürmek için termofotovoltaik hücreler kullanan şebeke ölçekli depolama teknolojisi aynı zamanda düşük maliyetli bir çözüm.

2.000 C'nin üzerinde ısıyı elektriğe dönüştürmek için TPV'leri kullanan şebeke ölçekli enerji depolama teknolojisi “Elektriği alan, yüksek sıcaklıktaki ısıya dönüştüren, ısıyı depolayan ve daha sonra isteğe bağlı olarak TPV'lerle tekrar elektriğe dönüştüren bir pildir” şeklinde açıklandı.

Sistem, planlanan sıcaklık aralığı ve TEGS uygulamaları için optimize edilmiş, 1.0 ile 1.4 eV arasında bant aralıklarına sahip III–V malzemelerinden oluşan iki bağlantılı TPV cihazlarıyla oluşturulmuştur. Bu hücreler, kullanılmayan alt bant aralığı radyasyonunu emitöre geri göndermek için yüksek düzeyde yansıtıcı arka yüzey reflektörleri kullanarak yüksek verimlilik elde etmek için bant kenarı spektral filtrelemeden yararlanır.

Bilim adamları birkaç sistem konfigürasyonunu test etti ve 1.2 ile 1.4 eV arasındaki bant aralıklarına sahip bir termofotovoltaik cihazın 2.39 W cm–2 güç yoğunluğunda ve 2.400 C emitör sıcaklığında çalışan %41.1 ile en yüksek verime sahip olduğu buldu. Cihaz, 1.2/1.0 eV bant aralığı, 1.8 W cm–2 güç yoğunluğunda ve 2.127 ^oC emitör sıcaklığında ise %39.3 maksimum verime ulaştı.

Termofotovoltaik hücrenin şimdi şebeke ölçekli bir termal pile entegre edilmesi üzerinde çalışılıyor. Araştırmacılar, "Sistem, güneş gibi yenilenebilir kaynaklardan gelen fazla enerjiyi emecek ve bu enerjiyi çok yalıtılmış sıcak grafit bankalarında depolayacaktır. Bulutlu günlerde olduğu gibi enerjiye ihtiyaç duyulduğunda, TPV hücreleri ısıyı elektriğe dönüştürür ve enerjiyi bir elektrik şebekesine gönderir" dedi.

Cihaz, yakın zamanda Nature Dergisinde yayınlanan “%40 Termofotovoltaik Verim” adlı çalışmada sunuldu. Araştırmacılar, çalışmalarını, sistemin ana parçalarını ayrı, küçük ölçekli deneylerde gösterdi ve şu anda tam olarak çalışır durumda bir sistemi göstermek için parçaları entegre etmeye çalışıyor. MIT araştırmacısı Asegun Henry, “Termofotovoltaik hücreler, termal pillerin uygulanabilir bir konsept olduğunu göstermenin son önemli adımıydı. Katı hal enerji dönüştürücülerinin avantajlarından biri, hareketli parçaları olmadığı için daha düşük bakım maliyetleriyle daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmeleridir" dedi.