Egy mérnökökből és anyagtudósokból álló csapat a Colorado Boulder Egyetemen látszólag meghazudtolta a termikus fizika egyik alapvető törvényét.
Kifejlesztettek egy új termofotovoltaikus (TPV) eszközt, amely minden eddiginél hatékonyabban képes a hősugárzást elektromos energiává alakítani – még az elméleti határokat is túllépve. Az innovációról az InterestingEngineering is beszámolt.
„Az általunk felhasznált energia kétharmada hővé alakul. Ha vissza tudunk nyerni ebből a hőenergiából, akkor tiszta villamos energiát állíthatunk elő. Gondoljunk csak az energiatárolásra és az elektromos energiatermelésre, fosszilis tüzelőanyagok nélkül.” – mondta Longji Cui adjunktus, a kutatócsoport vezetője egy sajtóközleményben.
A hagyományos TPV rendszereket, amelyek a hőt elektromos energiává alakítják, a Planck-féle hősugárzási törvény korlátozza.
„A Planck-törvény, amely a termikus fizika egyik legalapvetőbb törvénye, korlátot szab annak a hőenergiának, amely egy magas hőmérsékletű forrásból adott hőmérsékleten kinyerhető” – magyarázta Cui.
A Planck-törvény leírja, hogy egy adott hőmérsékletű test milyen intenzitással sugároz különböző hullámhosszú elektromágneses hullámokat. A törvény szerint a sugárzás spektrális eloszlása a test hőmérsékletétől függ, és meghatározza a maximális energiát, amely adott hőmérsékleten kibocsátható. A törvényt Max Planck vezette be 1900-ban, ezzel megteremtve a kvantummechanika alapjait. Az egyenlet szerint a hősugárzás kvantált energiacsomagokban, fotonok formájában történik, amelynek energiája a frekvenciával arányos.
A szerkezet egyedülálló módon képes a hulladékhő újrahasznosítására. (Fotó: CU Boulder)
A CU Boulder csapatának eszköze nagyobb teljesítménysűrűséget ért el, mint amit korábban megvalósíthatónak tartottak. Ez alapjaiban módosítja az eddig ismert törvények gyakorlati alkalmazását.
„Azáltal, hogy egy egyedi és kompakt TPV eszközt terveztek, amely akár egy emberi kézben is elfér, a csapat képes volt meghaladni a Planck-törvény által meghatározott vákuumkorlátot, és megduplázni a korábbi TPV rendszerekkel elérhető teljesítménysűrűséget” – áll a sajtóközleményben.
A hagyományos TPV eszközök általában vákuummal vagy gázzal töltött hézagot használnak a hőforrás és a fotovoltaikus cella között. Ez a rés jelentős energia-veszteséget okozhat, csökkentve ezzel az eszköz hatékonyságát. A kutatócsoport ezt a korlátozást egy egyedi TPV eszköz tervezésével hidalta át, amely egy „nulla vákuumtávolság” megoldást alkalmaz. Ez az innovatív kialakítás kiküszöböli a vákuum vagy gáztöltés szükségességét a hőforrás és a fotovoltaikus cella között.
Az új eszköz egy infravörös-átlátszó és hőszigetelő üveg távtartó réteget használ, amely hatékonyabb hőenergia-átadást tesz lehetővé, és jelentős teljesítménynövekedést eredményez.
„Ez egy nagy teljesítménysűrűségű csatornát hoz létre, amely lehetővé teszi, hogy a hőhullámok az eszközön keresztül haladjanak anélkül, hogy energiájukat elveszítenék, így drasztikusan javítva az energiatermelést” – emelte ki a sajtóközlemény.
Ez jelentősen különbözik a korábbi megközelítésektől, amelyek jellemzően sokkal magasabb hőmérsékletet igényeltek a hasonló teljesítmény eléréséhez. A kutatás egyik kiemelkedő eredménye, hogy az eszköz könnyen elérhető és viszonylag olcsó anyagokat, például üveget használ. Továbbá a kutatók azt állítják, hogy más anyagok akár 20-szorosára is növelhetik az eszköz teljesítménysűrűségét.
„Korábban, ha valaki növelni akarta a teljesítménysűrűséget, emelnie kellett a hőmérsékletet – például 1500°C-ról 2000°C-ra, vagy még magasabbra, ami végül már nem tolerálható és veszélyes az egész energiarendszer számára. Most alacsonyabb hőmérsékleten tudunk dolgozni, ami kompatibilis a legtöbb ipari folyamattal, miközben még mindig hasonló elektromos teljesítményt generálunk, mint korábban. Az eszközünk 1000°C-on működik, és olyan teljesítményt nyújt, amely egy hagyományos TPV eszköz esetében 1400°C-os hőmérsékleten lenne elérhető.” – jegyezte meg Cui.
A megnövekedett hatékonyság jelentős hatással lehet számos iparágra, többek között a gyártásra, az energiatermelésre és a közlekedésre.
„Ez az új technológia képes átalakítani a magas hőmérsékletű ipari folyamatokat, például az üveg-, acél- és cementgyártást olcsóbb és tisztább elektromos energiával” – áll a sajtóközleményben.
Különösen fontos, hogy a hulladékhő elektromos energiává alakításával csökkenthető az energiafogyasztás és az üvegházhatású gázok kibocsátása.
Kiemelt kép: CU Boulder
S.Rita
