СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

MODERN TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF THERMOPHOTOELECTRIC CONVERTERS

Erzhan Moldaliev

Junior Researcher, Laboratory of Integrated Optics and Microwave Photonics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Angelina Gulyaeva

Junior Researcher, Laboratory of Integrated Optics and Microwave Photonics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Vera Kashina

Junior Researcher, Laboratory of Integrated Optics and Microwave Photonics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Работа выполнена коллективом научной лаборатории интегральной оптики и радиофотоники при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках соглашения №075-03-2020-237/1 от 05 марта 2020г. (внутренний номер проекта FEWM-2020-0040).

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены современные тенденции в разработке термофотоэлектрических преобразователей. Рассматриваются наиболее важные технические аспекты ТФЭ преобразователей, а также особенности построения таких систем.

ABSTRACT

The paper considers modern trends in the development of thermo-photoelectric converters. The most important technical aspects of SPE converters are considered, as well as the design features of such systems.

Ключевые слова: Термофотоэлектрические преобразователи; излучатели; фильтры; фото ячейки.

Keywords: Thermal photoelectric converters; emitters; filters; photo cells.

С развитием глобализации и мирового производства требуется увеличение и бесперебойная поставка «зеленой» электроэнергии. Использование традиционных видов топлива и увеличение спроса на энергию, привело к ограничению ресурсов и воздействию на местную и глобальную окружающую среду (например, кислотные дожди и изменение климата) [1,2]. С технологическими открытьями в нанотехнологии появилось возможность создания новых источников энергии. Одним из таких источников является термофотоэлектрический (ТФЭ) преобразователь. Целью настоящей работы является осуществление обзора основных элементов термофотоэлектрического преобразователя.

Термофотоэлектрическая генерация электроэнергии – это технология, основанная на прямом преобразовании излучения, поступающего от источника тепла, в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических элементов [3]. Принцип работы ТФЭ преобразователя представлен на рисунке 1 [4]. К основным элементам можно отнести: источник тепла, излучатель, фильтр и фотодетектор.

Рисунок 1. Принципиальная схема термофотоэлектрического преобразователя

Тепловая энергия от источника тепла поглощается излучателем и конвертируется им в электромагнитные волны. Расположенный далее фильтр пропускает к фотоэлементу только волны ИК диапазона, а остальные возвращает к излучателю. В итоге фотоэлемент преобразует ИК излучение в электричество.

Излучатели характеризуются рабочей температурой, излучательной способностью (спектральной и угловой), а также прозрачностью. Для создания излучателя широко применяются следующие материалы: карбид кремния, редкоземельные металлы (оксиды иттербия, эрбия, тулия и гольмия), тугоплавкие металлы (вольфрам).

Фильтры в TФЭ преобразователях используются для отражения обратно в излучатель части излучения с длинами волн, превышающими ширину запрещенной зоны материала фотоэлемента. В основном фильтры для TФЭ преобразователей можно разделить на четыре категории: фильтры на основе кварцевого стекла; интерференционные (или диэлектрические) фильтры; плазмонные фильтры на основе прозрачных проводящих оксидов; частотно-селективные поверхностные фильтры [4].

Выбор полупроводникового материала для фотоэлемента определяется необходимым диапазоном его фоточувствительности. Чаще всего в качестве таких материалов используются узкозонные полупроводники. Использование последних достижений молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет управлять спектральными характеристиками чувствительности детекторов ТФЭ преобразователей. Важным направлением повышения эффективности элементов теплофотогенераторов является применение наногетероструктур типа сверхрешеток из квантовых ям и систем с квантовыми точками на основе материальных систем Si-Ge. В работе проведена оценка предельно достижимых значений КПД ТФЭ преобразователей на основе наногетероструктур Si-Ge.

К настоящему времени многими коллективами рассматриваются возможности использования ТФЭ преобразователей во всех основных секторах энергетики, как для не традиционных топливных энергетических ресурсов (радиоактивное излучение, солнечное тепло), так и для эффективного использования традиционные топлива [4]. Потенциально системы ТФЭ преобразователей могут преобразовывать тепло в электричество с использованием цикла Карно, что сделает их привлекательной альтернативой существующим технологиям производства электроэнергии. На современном этапе исследований высокая эффективность не была продемонстрирована, и неясно, какой практической эффективности могут достичь системы ТФЭ преобразователей. Однако, даже умеренная частично продемонстрированная эффективность делает ТФЭ преобразователи уже привлекательным для эффективного использования в таких областях, как комбинированная теплоэнергетика, портативная энергетика и рекуперация отработанного тепла [5]. В настоящее время системы ТФЭ преобразования разрабатываются в основном для переработки тепла, полученного от сжигания традиционных видов топлива, что не благоприятно с точки зрения экологии и энергосбережения. Однако, топливная гибкость систем ТФЭ преобразования позволяет в будущем перейти от традиционного топлива к биотопливу, что может быть более сложным для других технологий генерации энергии.

Список литературы:

1. Renewables 2018 Global Status Report [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf (дата обращения: 17.12.21).
2. Юмаев Н. Р. Экологические аспекты применения возобновляемых источников энергии // Современные тенденции технических наук: материалы VI Междунар. науч. конф. (Казань, 20-23 мая 2018 г.). — Казань, 2018. — С. 16-21.
3. Молдалиев Э., Коханенко А.П., Жидик Ю.С. Термофотоэлектрические преобразователи  на основе полупроводниковых гетероструктур // Наука. Технологии. Инновации – 2020: сборник докл. XIV Всерос. науч. конф. молодых учёных (Новосибирск, 30 ноября - 4 декабря 2020 г.). – Новосибирск, 2020. – Ч.6. – С. 44-46.
4. Mattarolo G. Development and Modelling of a Thermophotovoltaic System [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/235332420_Development_of_solar_thermophotovoltaic_systems (дата обращения: 17.12.21).
5. Bauer T. Thermophotovoltaics.  Basic Principles and Critical Aspects of System Design –Verlag Berlin Heidelberg: Springer,2011. – 223 p.