Фотоэлектрические элементы на углеводородном топливе: приближается очередной технический переворот? Дата: 16.01.2012 Раздел: Прочее (экзотика)
Исследована интересная идея, преобразовывать любое излучение, в том числе, и обычное тепло, в поток фотонов строго определенной длины волны, которая выбирается оптимально совместимой для подключенного фотоприемника, преобразующего это излучение в электричество с максимальным КПД.
Солнечный свет не требуется
Новейшая технология Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) позволила создать удивительные фотоэлектрические системы, способные питаться от солнечного света, углеводородного топлива, распадающихся радиоизотопов или любого другого источника тепла. Ключом к их высокой эффективности стал специально разработанный материал, который поглощает тепло, а затем, благодаря миллионам наноразмерных впадин на его поверхности, избирательно излучает на фотоэлектрические ячейки только те длины волн, которые ячейка может преобразовать в электрическую энергию.
На основе этой технологии исследователи из MIT изготовили малогабаритный источник энергии, питаемый бутаном, способный работать в три раза дольше, чем традиционные ионно-литиевые батареи такой же массы, и мгновенно перезаряжаться установкой тонкого картриджа со свежим топливом. Другое устройство, питаемое от радиоактивных изотопов, способно производить электричество в течение 30 лет без заправки и ремонта – идеальный источник электроэнергии для космических кораблей, летающих в пределах нашей солнечной системы.
В соответствии с данными Управления Энергетической Информации США, 92% всей используемой нами энергии производиться преобразованием тепла в механическую энергию и далее, чаще всего, в электричество. Но современные механические системы имеют недостатки: их надежность низка (движущиеся части могут ломаться), КПД относительно невысок, и они не могут быть уменьшены до размеров, необходимых большинству сегодняшних устройств-потребителей электроэнергии, от датчиков до смартфонов и систем медицинского мониторинга.
«Умение преобразовывать энергию от различных источников в электричество без использования движущихся частей будет иметь огромное значение» – заявил Иван Селановик (Ivan Celanovic), инженер-исследователь Института Военных Нанотехнологий (ISN – Institute for Soldier Nanotechnologies). – «Особенно, если мы сможем сделать это с высоким КПД, относительно недорого и в объеме, ограниченном несколькими миллиметрами, сантиметрами или метрами».
Фотоэлементы – это твердотельные электрические генераторы, которые не нуждаются в постоянном освещении солнечным светом. Полвека назад исследователи разработали термофотоэлектрические (ТФЭ) системы, использующие фотодиоды (активные элементы солнечных батарей), объединяемые с различными источниками тепла. В ТФЭ системах тепло, например, от горения углеводородов, нагревает твердый участок материала называемого теплоизлучатель. Теплоизлучатель излучает тепло и свет на фотодиоды, а фотодиоды генерируют электричество.
Ввиду того, что теплоизлучатель не нагрет до такой же степени, как солнце, в спектре его излучения содержится больше волн ИК диапазона, чем в солнечном спектре. Фотоэлектрические материалы с узкой шириной запрещенной зоны, открытые менее десяти лет назад, способны поглощать больше ИК излучения, чем стандартные кремниевые фотогальванические ячейки, но большая часть тепла до сих пор безвозвратно теряется, так что КПД остается относительно низким.
Идеальное совпадение
Решение, говорит Селановик, заключается в разработке теплоизлучателя, излучающего только те длины волн, которые фотодиоды способны поглотить и превратить в электричество, и подавляющего излучения со всеми другими длинами волн. «Если вы имеете абсолютное согласование по спектру между источником тепла и фотодиодом, вы получите оптимальную эффективность для всей системы», – заявил он.
«Но как мы найдем материал, который будет иметь эту волшебную способность излучать только необходимые нам длины волн?» – спрашивает Марин Соляжик (Marin Soljačić), адъюнкт-профессор физики и исследований ISN. Ответ следующий: необходимо изготовить фотонный кристалл, взяв простой материал и создав на его поверхности некоторый наноразмерный узор, например, регулярно повторяющийся рисунок из отверстий и впадин. Теперь свет станет распространяться через образец совсем другими путями, чем тогда, когда материал был в своем естественном виде.
Используя новые нанотехнологии, исследователи из MIT создали эти образцы вольфрамовых пластин с миллионами повторяющихся участков, образованных одинаковыми наноразмерными впадинами на его поверхности. В данной ТФЭ системе этот тип фотонных кристаллов используется как теплоизлучатель, поглощающий тепло и затем, вследствие его поверхностной структуры, излучающий на фотодиод только те длины волн, которые могут преобразовываться в электричество. На рисунке приведена цифровая фотография полного образца диаметром 1 см, освещенного белым светом. Его цвет наводит на мысль о преломлении белого света в зеленый, обусловленном характером поверхности.
«Теперь, путем выбора конструкции наноструктуры, мы можем создавать материалы, имеющие необычные оптические свойства», – заявил Соляжик. – «Это позволяет нам управлять и манипулировать поведением света».
Это мощная методика, совместно разработанная Джоном Д. Джоанаполисом (John D. Joannopoulos), Фрэнсисом Райтом Дэвисом (Francis Wright Davis), профессором физики и заведующим ISN, и другими, может применяться для усовершенствования лазеров, светоизлучающих диодов и даже оптоволокна. Но для команды MIT этот новый тип материала представлял собой как раз то, что им было необходимо для получения спектра теплового излучения, согласованного с используемым фотодиодом.
Разработка фотонного кристалла
Для начала, им был необходим материал, способный выдерживать нагревание до экстремально высоких температур и накаляющийся при этом до свечения высокой яркости. Очевидным выбором был вольфрам, уже 100 лет использующийся в качестве нитей в лампах накаливания. Изготовить из пластинки вольфрама фотонный кристалл они решили созданием на его поверхности массива крошечных ямок (цилиндрических углублений). Когда пластина нагревается она генерирует яркий свет, но теперь с измененным спектром излучения.
Почему? Каждая ямка выступает в роли резонатора, способного излучать тепло только с определенной длиной волны. Таким образом обеспечивается селекция необходимых длин волн. Селановик провел аналогию с акустическим резонатором. «Это похоже на то, когда мы прикладываем морскую ракушку к нашему уху и слышим гудение. Мы слышим шум, усиленный на резонансных частотах пустот морской ракушки. Это похоже на акустический аналог, только вместо акустического резонанса здесь используется электромагнитный резонанс» – сказал он.
Для внедрения этого «конструкционного материала» разработчикам необходимо было найти практический способ изготовления наноразмерного рисунка на поверхности вольфрама. После многочисленных исследований, они разработали метод, основанный на литографии и травлении ионами химически активного вещества – способ обработки, используемый, например, при изготовлении микросхем. В их случае интерференция между двумя перекрывающимися пучкам лазера позволяла создать маску для травления с одинаковыми крохотными ямками, которые далее переносятся на вольфрамовую подложку для травления ионами химически активного вещества. Используя этот метод, исследователи MIT изготовили вольфрамовые фотонные кристаллы диаметром 1 см с поверхностью, содержащей миллион крошечных ямок, расположенных с одинаковым интервалом одна от другой и однородных по диаметру и глубине.
На данной диаграмме демонстрируется, как различия в наноструктуре вольфрамового фотонного кристалла могут отзываться на спектре излучаемого света. (Излучательная способность показывает эффективность излучения). В этом примере три спектра, изображенных цветными линиями, излучаются раскаленными вольфрамовыми образцами, содержащими наноразмерные ямки различного диаметра, глубины, и с разным расположением. Эти различия в геометрии резко изменяют преобладающую длину волны в излучаемом свете. Спектр, изображенный черной линией, получен от образца с гладкой поверхностью.
Диаграмма выше демонстрирует, как влияет рельеф поверхности на спектральную излучательную способность фотонного кристалла. Кривая показывает тепловую излучательную способность при различных длинах волн. Спектр, изображенный черной линией, получен от образца с гладкой поверхностью. Три спектра, изображенных цветными линиями, излучаются раскаленными вольфрамовыми образцами, содержащими наноразмерные ямки различного диаметра, глубины, и с разным расположением. Как результат – их спектры излучения резко различаются. «Так, меняя геометрические параметры фотонного кристалла для данного материала, вы можете настроить границы, в которых происходит излучение, и в которых оно не происходит» – заявил Селановик.
В этой новейшей разработке MIT тепло, вводимое от источника энергии, повышает температуру вольфрамового фотонного кристалла, который передает тепловое излучение с выбранной длиной волны к фотодиоду. Второй фотонный кристалл, расположенный на поверхности фотодиода, пропускает тепло только с теми длинами волн, которые диод способен преобразовать в электричество, а остальные отражает назад на вольфрамовый фотонный кристалл, которые он снова поглощает и излучает. Электричество от фотодиода поступает на схему, преобразующую величину выходного напряжения до уровня, необходимого для питания внешних устройств.
На рисунке выше схематично изображена ТФЭ система на фотонных кристаллах. Тепло от источника слева повышает температуру вольфрамового фотонного кристалла – теплоизлучателя, который излучает тепло с выбранной длиной волны на фотодиод, а фотодиод конвертирует его в электрическую энергию. Несмотря на тщательную подгонку, вольфрамовый теплоизлучатель отдает так же тепло с длинами волн, которые фотодиод не способен преобразовать в электричество. Для устранения данных потерь, исследователи установили на поверхности диода другой фотонный кристалл, изготовленный из серии чередующихся слоев кремния и диоксида кремния, который используется здесь для передачи определенных длин волн и для отражения других. Он отражает любые излучения с ненужной длиной волны назад на вольфрамовый теплоизлучатель, где они вновь поглощаются, а затем излучаются для обеспечения большего количества тепла с длинами волн, которые фотодиод способен преобразовать.
Разработка новейшей термофотоэлектрической системы
Используя ТФЭ систему, команда MIT, совместно с сотрудниками из MIT и из других мест, создали несколько необычных устройств, производящих электричество. Например, микро-термофотоэлектрический источник – небольшой, размером с батарейку, твердотельный прибор, использующий в качестве источника тепла углеводородное топливо, такое как бутан или пропан. В основе устройства используется «микрореактор», разработанный Клэвсом Дженсеном (Klavs Jensen), и изготовленный в лаборатории Microsystems Technology.
Этот крошечный реактор представляет собой кремниевый кристалл с внутренним каналом, в котором впрыскиваемое топливо подвергается каталитической реакции, порождая тепло. Фотонные кристаллы располагаются на верхней и нижней поверхности микрореактора, а фотодиоды с узкой запрещенной зоной располагаются над реактором и под ним, разделенные крошечным промежутком. Нагреваясь микрореактором, ТФЭ система производит электричество, которое, в свою очередь, подается на электрическую схему, специально разработанную аспирантом Робертом Пилава (Robert Pilawa), и Дэвидом Перреаултом (David Perreault), адьюнкт-профессором электротехники и компьютерных наук. Схема динамически подстраивает напряжение и ток для удовлетворения требованиям, накладываемым смартфонами, датчиками и другими устройствами, извлекая максимальное количество энергии из ТФЭ системы.
Каждый из этих кремниевых кристаллов представляет собой микрореактор с фотонными кристаллами на обеих поверхностях и внешней трубкой для впрыска топлива и воздуха, и для выброса отходов. Внутри встроенного канала топливо и воздух реагируют друг с другом, разогревая фотонный кристалл. В собранной системе это тепло будет направляться на фотодиод, генерирующий электричество, который должен размещаться над верхней и нижней поверхностью каждой стороны с крошечным зазором. Фотография Джастина Кайта (Justin Knight)
Прототипы этих трех микро-термофотоэлектрических генераторов мощности «воодушевляют», заявил Селановик. По соотношению топливо/электричество устройство достигает эффективности около 3%. Коэффициент может показаться не впечатляющим, но при этом выход энергии получается в три раза выше, чем у ионно-литиевых батарей такого же размера и веса. ТФЭ генератор мощности может работать в три раза больше без подзарядки и перезаряжаться мгновенно, стоит только установить новый картридж бутана. При дальнейших исследованиях над способом упаковки и конструкцией устройств, уверен Селановик, они смогут увеличить достигнутую на сегодня плотность энергии в три раза. «В данный момент наши ТФЭ генераторы могут использоваться для питания смартфонов, обеспечивая неделю работы без необходимости перезарядки», – заявил он.
Другие работы сфокусированы на использовании радиоактивных изотопов – материалов, подверженных радиоактивному распаду, и выделяющих при этом тепло. Их плотность энергии может быть на порядок выше, чем у химического топлива, к тому же, радиоактивные изотопы не опасны. (В самом деле, некоторые используются в кардиостимуляторах, имплантируемых на 10 лет). ТФЭ генератор мощности, питаемый радиоактивными изотопами, будет способен работать три или более десятилетий, и может быть идеальным для приложений высокого уровня, там, где электричество необходимо на годы, но при этом трудно или невозможно производить перезарядку. В одном проекте, например, команда MIT, работая в сотрудничестве с NASA и Creare, Inc., разработали ТФЭ генератор, базирующийся на изотопах, и предназначенный для исследования глубокого космоса – там где не могут использоваться даже лучшие аккумуляторные батареи и панели с солнечными элементами.
Наконец, исследователи ищут способы использования их фотонных кристаллов для улучшения преобразования солнечной энергии в электричество. Например, оптический концентратор, такой как параболическое зеркало, может фокусировать солнечное излучение на поглотитель и излучатель на основе фотонных кристаллов, которые буду менять спектр солнечного излучения для лучшего согласования с фотоячейками. Участниками в данном проекте были члены центра Твердотельного преобразования тепловой солнечной энергии (Solid State Solar Thermal Energy Conversion Center) под управлением Ганга Чэна (Gang Chen) и профессора энергетики Карла Ричарда Содерберга (Carl Richard Soderberg).
Селановик и Соляжик подчеркивают, что построение практических систем требует интеграции множества технологий и проведения многочисленных экспертиз. «Это реально политематические усилия» – заявил Селановик. «Это отличный пример того, как фундаментальные исследования материалов могут кардинально изменить эксплуатационные характеристики систем, позволяя создать целый спектр приложений с высокой эффективностью преобразования энергии».
