Термоэмиссионное преобразование энергии повысит КПД ТЭЦ в 6 раз
Технология сопровождения электропередачи, которая была заброшена несколько десятилетий назад имеет потенциал для работы с традиционными электростанциями, чтобы помочь им более эффективно превращать тепло в электричество, а значит, уменьшение добычи ископаемого топлива. Новые исследования в области нано-энергетике представляют собой прототип преобразователя энергии, который использует графен вместо металла, что делает его почти в семь раз эффективнее.
Ученые проводившие исследования под руководством профессора Роджера Хоу в Стэнфордском университете, говорят, что новые материалы могли бы увеличить области термоэмиссионного преобразования энергии, усовершенствовать процесс производства электроэнергии и снизить воздействие процесса выработки электроэнергии на окружающую среду.
Энергетика является одной из самых сложных проблем современного общества, приблизительно 1,2 миллиарда человек не имеют доступа к электричеству. Тепловая энергия является одной из самых распространенных, дешевых и широко используемых источников энергии в мире, но его генерируют, используя старые технологии: более 80% электроэнергии, вырабатываемой в США происходит от механических тепловых двигателей и турбин, основанных на технологиях 19 века, которое может быть использовано только в крупных электростанциях.
Кроме того, термоэлектронный энергетический преобразователь (ТЭП) может конвертировать тепло в электричество более эффективно, без необходимости большого, дорогостоящего оборудования за счет явления термоэлектронной эмиссии. ТЭП был впервые разработан в 1950-х годах для использования в космических программах, но ученые не смогли сделать ТЭП достаточно эффективным для применения в промышленном производстве электроэнергии. Теперь, с использованием современных материалов и подходов, можно значительно повысить его эффективность.
ТЭП состоит из двух электродов, а именно эмиттера и коллектора, разделенных небольшим вакуумным пространством. Исследователи протестировали прототип ТЭП, в котором использовали на одном листе атомы углерода -графен, вместо вольфрама в качестве материала коллектора. Полученные результаты лабораторных исследований показали, что новый материал улучшит эффективность ТЭЦ, ТЭП в 6,7 раз более эффективен при преобразовании тепла в электричество на 1000°С
«Технологии ТЭП — это очень интересно. С улучшением эффективности, мы ожидаем увидеть огромные возможности для его использования», — комментирует ведущий автор исследования Доктор Хунюянь Юань из Стэнфордского университета. «ТЭП может не только помочь сделать электростанции более эффективными, и, следовательно, снизить воздействие на окружающую среду, но он также может быть применен в распределенных системах, например при использовании солнечных батарей. Мы надеемся, что в будущем можно будет получить 1-2 кВт электроэнергии от водогрейных котлов, которые могут быть установлены у вас дома».
Существующие технологии ТЭП сталкиваются с двумя препятствиями: высокие потери энергии на поверхности анода, что приводит к снижению выходного напряжения и высоких электрических барьеров для электронов, движущихся в зазоре между коллектором и эмиттером, что приводит к снижению выходного тока. Впервые новый прототип решает обе эти проблемы одновременно. Результаты исследования показывают электронном эффективности преобразования энергии на 9,8 процента — до сих пор самый высокий КПД для 1000°С.
Технология еще не готова для использования в электростанциях или в домах людей — прототип работает в вакуумной камере, но не в нормальной обстановке. Исследователи сейчас работают над вакуумной упаковкой ТЭП для проверки надежности и эффективности работы техники в реальных условиях.
«Этот прототип является только первым шагом — нам нужно сделать еще много чего,» сказал д-р Юань. «Но наши результаты являются многообещающими и отражают хорошее взаимодействие между наукой в области современных материалов и старомодных энергетических технологий, что обеспечивает пути для повторного всплеска области термоэмиссионного преобразования энергии».