От "буржуйки" к нанотехнологиям

 В http://gidepark.ru/user/2600530362/article/315488 было сообщение, что Новосибирский завод отправил в пострадавшую от стихийного бедствия Японию партию единственных в мире дровяных отопительно-варочных печей, вырабатывающих электрический ток. К сожалению приходится констатировать, что используемые в них для получения электричества термоэлектрические преобразователи на основе элементов Пельтье в настоящее время уже далеко не самые эффективные в своем классе.

Последним «писком» можно считать термофотоэлектрические приборы с высокой эффективностью преобразования инфракрасного теплового излучения эмиттеров, нагреваемых при сжигании углеводородного топлива или при помощи концентрированного солнечного излучения. При установке таких чувствительных в инфракрасной области термофотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур (простите за заезженное выражение) вокруг излучателя могут быть разработаны высокоэффективные термофотоэлектрические генераторы (ТФЭГ).

Работы по ТФЭГ в настоящее время наиболее развиты в США, где созданы переносные (ранцевые) генераторы для армии США (бесшумные источники электроэнергии, работающие на газе или жидком топливе, для зарядки аккумуляторов систем военной связи). Ведутся также работы по созданию ТФЭГ бытового применения в качестве экологически чистых источников электроэнергии и тепла для индивидуальных пользователей (удаленных от линий электропередач, но снабжаемых баллонным газом). В США планируется производить ТФЭГ бытового применения на сумму несколько млрд. долларов в год. Активно начаты работы по ТФЭГ в европейских фирмах, занятых созданием источников энергии малой мощности для автономных потребителей в качестве резервных электрогенераторов, для систем телеметрии и катодной защиты нефте- и газопроводов.

В разработанных питерскими учеными экспериментальных образцах термофотоэлектрических генераторов осуществляется преобразование теплового излучения в электроэнергию с помощью элементов, чувствительных в ближней инфракрасной области спектра. Хотя этот принцип известен много лет, но его практическая реализация становится возможной только сейчас, благодаря разработке высокоэффективных гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе материалов с малой шириной запрещенной зоны Е =0,6-0,75 эВ и созданию эффективных излучателей с рабочей температурой 1000-1500°С. Наиболее перспективными для этой цели являются гетероструктуры на основе антимонида галлия (Е =0,7эВ), твердых растворов галлий-индий-сурьма-мышьяк (Е =0,5-0,6 эВ) и галлий-индий-мышьяк (Е =0,75 эВ).

Плотность электрической энергии, снимаемой с ФЭП, увеличивается с увеличением температуры излучателя. При этом в диапазоне температур 1300-1700°С мощность GaSb-ФЭП превышает в 4-6 раз мощность кремниевых ФЭП.

Оптимальным диапазоном температур ИК-излучателей в ТФЭГ является интервал 1200-1500°С. При этих температурах обеспечивается надежная работа доступных и не очень дорогих керамических материалов (карбид кремния и др.) излучателя при относительно простых системах теплосброса (водяного или воздушного). В ТФЭГ на основе гетероструктурных GaSb-ФЭП возможно получение в этих условиях удельной мощности более 3 Вт/см2.

Максимальная расчетная эффективность фотоэлектрического преобразования составляет около 40% для теплового излучения, поглощенного в полупроводнике при Т =1200-1500°С. КПД системы в целом будет ниже вследствие потерь ИК-излучения, не поглощаемого в полупроводнике, потерь при генерации теплового излучения и других тепловых потерь. Потери могут быть сведены к минимуму путем преобразования излучения с помощью селективно-излучающих эмиттеров и фильтров, отражающих длинноволновое излучение в излучатель.

Расчетные значения эффективности термофотоэлектрического преобразования в ТФЭГ с селективными фильтрами (так же как и селективными эмиттерами) на основе известных ФЭП превышают 20% при рабочей температуре излучателя 1300-15 00°С. Дальнейшее совершенствование ФЭП (каскадные гетероструктуры, ФЭП с тыльным зеркалом) и излучателей (многослойные эмиттеры, новые типы фильтров) позволят увеличить эффективность термофотоэлектрического преобразования до более чем 30%. При этом КПД системы в целом может превысить 20%. В качестве источников тепла в ТФЭГ могут быть использованы природный газ, пропан, бензин, водород и др. На худой конец могут быть и дрова, но это уже будет чисто российская экзотика.

Термофотоэлектрические генераторы имеют ряд преимуществ перед другими типами автономных источников электроэнергии.

По сравнению с электромеханическими генераторами на основе двигателей внутреннего сгорания:

* большой срок службы вследствие отсутствия быстро изнашиваемых движущихся частей;

* уменьшение загрязнения окружающей среды вследствие более полного непрерывного процесса сжигания топлива;

* бесшумность.

По сравнению с солнечными батареями:

* возможность круглосуточной работы ТФЭГ (при наличии топлива), в то время как наземные солнечные батареи работают только 40% времени;

* больший удельный энергосъем с поверхности фотопреобразователя в ТФЭГ - более 2Вт/см2 или порядка 20 кВт/м2, что в 100-150 раз превышает средний удельный энергосъем с поверхности космических СБ и в 300-400 раз больше удельного энергосъема наземных СБ.

По сравнению с другими типами электрогенераторов (термоэлектрические, термоэмиссионные, топливные элементы и др.):

* более высокий КПД  ТФЭГ, который составляет более 20%.

Эффект, ожидаемый от использования ТФЭГ

Благодаря созданию высокоэффективных ФЭП и согласованных с ними по спектру излучателей, ТФЭГ найдут широкое применение в качестве автономных источников электроэнергии в наземных и космических условиях. Удельная стоимость электроэнергии, получаемой с помощью ТФЭГ, может составить в наземных условиях 2-3 USD за 1 Вт установленной мощности, что приблизительно в 2 раза ниже удельной стоимости наземных СБ. При этом количество электроэнергии, вырабатываемой с помощью ТФЭГ эквивалентной мощности, приблизительно в 3 раза больше вследствие их непрерывной работы. Необходимо отметить, что удельное количество электроэнергии, вырабатываемой с единицы площади фотопреобразователей в ТФЭГ в 200-300 раз больше, чем в солнечных батареях.

Значительный экономический эффект, вследствие более высокого КПД и срока службы,  обеспечит также использование ТФЭГ вместо электромеханических (на основе двигателей внутреннего сгорания) и термоэлектрических генераторов. Не менее важным обстоятельством является экологическая чистота процесса сжигания топлива в ТФЭГ, что обеспечит также значительный экономический эффект от замены дизельных электрогенераторов на ТФЭГ. Это делает перспективным применение ТФЭГ для автономного обеспечения электроэнергией сельских домов, геологических партий, маяков, ретрансляторных и радиолокационных станций и др. объектов, в особенности в районах Крайнего Севера. При этом тепло от сжигания топлива может быть использовано для обогрева помещений или бытовых нужд.

Использование ТФЭГ даст существенный эффект в системах энергопитания космических аппаратов, особенно запускаемых в сторону от Солнца, т.е. в условиях, когда применение солнечных батарей либо невозможно, либо малоэффективно, а использование химических или других источников энергии обеспечивает меньший КПД или короткий ресурс работы.

Но если кто-то навострился бежать занимать очередь за такими ТФЭГами, придется разочаровать. В России нет и еще долго не будет промышленного производства гетероструктурных фотоэлектрических преобразователей, на основе которых предполагалось выпускать  высокоэффективные солнечные батареи с коцентраторами солнечного излучения. Многие вероятно слышали большой звон в отечественных СМИ на эту тему, но похоже пузырь уже сдулся. В рамках этих технологий могли бы производиться и гетероструктуры для ТФЭГ, но увы, знать не суждено. Хочу напомнить, что широко разрекламированный «российский» айфоня не может конкурировать даже с китайским. Чипы для навигаторов Глонасс уже разработаны в Европе и китайцами, как одиночные, так и комбинированные с GPS. Похоже и концентраторные солнечные батареи и ТФЭГи тоже придется покупать китайские. Вот такая у нас модернизация по-президентски