Фотонные кристаллы в энергетике Дата: 17.12.2009 Раздел: Прочее (экзотика)
Кто сказал, что преобразовать тепло в электричество можно только механическим или термоэлектричестким путём? А скрестить источник тепла и солнечную батарею слабо? Оказалось, что нет.
Ещё в 1960-х и в 1970-х годах исследователи в разных странах пробовали создать компактные генераторы для космической техники на основе довольно необычного принципа. Тогда что-то не получилось. И ведь, казалось бы, в своей основе идея-то гениально проста. Но для того, чтобы "простота" эта реально заработала, потребовались современные технологии.
В наши дни давнюю мысль, но на этот раз применительно к технике земной – к автомобилям, реанимировали физики из Массачусетского технологического института (), а потому пора с ней (мыслью) познакомиться ближе.
Берём сравнительно небольшое количество топлива, сжигаем его равномерно и спокойно, и нагреваем с его помощью телоизлучатель, что называется, "до белого каления". А точнее (как в нынешнем проекте) — до 1227 градусов по Цельсию.
Излучаемый телом очень яркий свет мы направляем на "солнечную батарею", которая и даёт нам ток. Всё.
Принцип работы термофотоэлектрического генератора (иллюстрация с сайта lees.mit.edu).
Чтобы такая система была не просто работоспособной, но ещё и обладала высоким КПД, исследователям MIT пришлось воспользоваться самыми последними достижениями в физике фотонных кристаллов.
Тут нужно напомнить, что это такое. Фотонные кристаллы — это периодические (наподобие слоёного пирога) структуры из различных материалов, слои в которых обладают толщиной, сопоставимой с длиной волны света (к примеру, света видимого).
Электронная микрофотография "слоёного пирога" фотонного кристалла, выступающего в данном устройстве в качестве светового фильтра (фото с сайта lees.mit.edu).
Такие периодические структуры обладают необычными оптическими свойствами, отличными от оптических свойств материалов, их составляющих. К примеру, фотонные кристаллы могут пропускать через себя определённые частоты волн (почти без задержки, как необычайно прозрачные тела), но при этом отражать, словно самое лучшее зеркало, другие волны.
Вообще, фотонные кристаллы в оптике сравнивают с полупроводниками в мире электроники. Применительно к фотонным кристаллам можно говорить о разрешённых и запрещённых энергетических зонах, наподобие таких зон в полупроводниках. Фотонные кристаллы могут быть световыми "проводниками", "диэлектриками" и "полупроводниками", где вместо тока – фотоны.
Теперь вернёмся к проекту MIT. Сразу видно, что при нагреве обычного тела и при использовании обычной фотоэлектрической панели мы получим невысокую эффективность. И вот как-то профессор Джон Кассакиан (John Kassakian), директор лаборатории электромагнитных и электронных систем MIT (), собрал своих коллег и сказал: "А почему бы нам не приспособить для сортировки волн фотонные кристаллы? У них же есть как раз нужные нам свойства!".
Ну, возможно, начиналось всё не совсем так. Но результат таков: именно в лаборатории LEES сейчас полным ходом идёт отработка высокоэффективной термофотоэлектрической системы. И уже созданы первые работающие прототипы таких преобразователей.
Исследователи решили подобрать подходящий фотонный кристалл в качестве излучателя света. Тут подошёл так называемый двухмерный фотонный кристалл, со структурой поверхности, похожей по виду на пчелиные соты. Материал – тугоплавкий сплав на основе вольфрама.
Расчётная (светло-синий цвет) и измеренная (тёмно-синий) характеристика фильтра. Шкала внизу – длины волн в микронах, шкала слева — светопропускание (иллюстрация с сайта lees.mit.edu).
Соты эти обладают поперечником и глубиной "колодца", сопоставимыми с длиной волны видимого света. Точнее, эти два размера рассчитаны таким образом, что при нагреве тела они поощряют излучение на определённых частотах и подавляют – излучение других волн.
А ведь обычное нагретое тело светит более-менее равномерно в широком диапазоне частот, которые (частоты) полностью утилизировать было бы сложно.
Излучатель этот сделан в виде цилиндра. Вокруг него располагается солнечная батарея. Она тоже необычная. Авторы проекта выполнили её на основе антимонида галлия.
Но главная изюминка проекта – это промежуточный цилиндр, установленный между цилиндром-излучателем и цилиндром — "солнечной" панелью.
Промежуточный цилиндр этот также представляет собой фотонный кристалл, так называемый одномерный. Составлен он из множества чередующихся слоёв кремния (толщиной по 170 нанометров) и диоксида кремния (390 нанометров).
Этот фотонный кристалл работает как замечательно точный фильтр: волны с длиной ниже 1,7 микрон (эта величина была определена, исходя из параметров фотоэлемента) он пропускает к батарее, а более длинные волны (тепло) — отражает назад, к излучателю.
Сотоподобная структура поверхности вольфрамового излучателя – фотонного кристалла. Справа: сравнение характеристики излучения "просто" вольфрама (синий цвет) и фотонного кристалла на его основе (красный). Шкала внизу – длины волн в микронах, шкала слева – коэффициент излучения (иллюстрации с сайта lees.mit.edu).
Тем самым достигается двойная выгода, повышающая общий КПД системы: к фотодиоду проходят частоты, которые наиболее эффективно им "перевариваются" и превращаются в электрический ток, а отражённый фильтром в обратную сторону свет помогает поддерживать высокую температуру центрального тела — излучателя.
Проходящее к фотопреобразователю, но всё-таки не превращённое в ток, тепло приводит к нагреву фотоэлемента, так что его ещё приходиться охлаждать. Это – одна из основных проблем проекта.
И всё равно, исходя из расчётов и результатов первых опытов с экспериментальными установками, авторы проекта говорят, что в теории таким способом можно превращать энергию топлива в электричество с эффективностью до 40-50%, что, пожалуй, выше суммарного КПД типичного ДВС, работающего в паре с электрогенератором.
Таким образом, используя нагретое тело, излучающее, в основном, на "правильных" частотах, плюс фильтр, пропускающий к фотобатарее лишь волны, эффективно превращаемые ею в ток, и являющийся также зеркалом для других волн, да и саму батарею из высокоэффективных материалов, авторы добились удивительных параметров.
Они говорят, что такие установки, конечно, не заменят обычные двигатели под капотами автомобилей, но вот в качестве генератора для бортовой сети – были бы идеальны. Судите сами – никаких движущихся частей. Равномерное эффективное сгорание топлива. Бесшумность. Высокий КПД.
Сравнение КПД термофотопреобразователя: 1 – на основе обычного нагретого тела и фотоячейки; 2 – то же, но с промежуточным фильтром частот; 3 – с фильтром и селективным излучателем на основе фотонного кристалла; 4 – то же, но с идеальным фильтром. Шкала внизу – температура нагрева излучателя в Кельвинах, шкала слева – КПД (иллюстрация с сайта lees.mit.edu).
Такие генераторы могли бы давать ток автомобилю на стоянке, так, чтобы не приходилось гонять двигатель. В холод лишнее сбрасываемое фотоячейкой тепло пригодилось бы для обогрева салона, а в жару такой генератор мог бы с минимальными затратами обеспечивать током кондиционер.
Особенно привлекательна такая система для магистральных тягачей. Ведь крутить их огромные моторы почти вхолостую, лишь чтобы обогреть кабину или подзарядить аккумуляторы – слишком накладно и неэффективно.
Ну и, конечно, в качестве дополнительного генератора для гибридных авто такая термофотосистема оказалась бы очень полезной.
Кстати, разу уж вспомнили про гибриды. Один из лидеров в этой области – компания — по удивительному совпадению является одним из спонсоров данного проекта MIT.
Но вот какого-либо решения о применении термофотогенератора на машинах японцы, мол, ещё не принимали. Не пришло время? Или Toyota не хочет слишком рано волновать конкурентов?
Реклама:
Это статья с сайта: Всё о мобильной энергии - солнечные батареи и другая электроника для туристов https://www.mobipower.ru
