Μια πρωτοποριακή πρόοδος στις θερμοφωτοβολταϊκές κυψέλες έχει επιτευχθεί, που μπορεί να φέρει επανάσταση στην αποθήκευση θερμότητας. Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν πλησιάζουν τη θεωρητική μέγιστη απόδοση για τη μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια με πρακτικές εφαρμογές στο δίκτυο και υποσχόμενοι σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία αποθήκευσης θερμότητας.

Μπαταρίες θερμότητας: Μετασχηματισμός της αποθήκευσης ανανεώσιμης ενέργειας
Η παραγωγή ηλιακής και αιολικής ενέργειας δεν ευθυγραμμίζεται πάντοτε με τα πρότυπα κατανάλωσης, γεγονός που απαιτεί αποτελεσματικές λύσεις αποθήκευσης ενέργειας. Ο Andrej Lenert, αναπληρωτής καθηγητής χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, δήλωσε: «Καθώς ενσωματώνουμε μεγαλύτερα κλάσματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την επίτευξη των στόχων απαλλαγής από τον άνθρακα, χρειαζόμαστε χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερη διάρκεια αποθήκευσης ενέργειας».
Οι θερμικές μπαταρίες θα μπορούσαν να αποθηκεύουν διαλείπουσα ανανεώσιμη ενέργεια κατά τις ώρες αιχμής της παραγωγής και να τη μετατρέπουν αργότερα σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας μια θερμική εκδοχή των ηλιακών κυψελών, γνωστή ως θερμοφωτοβολταϊκά στοιχεία.
Θερμοφωτοβολταϊκά κύτταρα: μετατροπή ενέργειας
Τα θερμοφωτοβολταϊκά κύτταρα, παρόμοια με τα ηλιακά κύτταρα, μετατρέπουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά χρησιμοποιούν υπέρυθρα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας. Η νέα συσκευή επιτυγχάνει απόδοση μετατροπής ενέργειας 44% στους 1435°C, ξεπερνώντας την προηγούμενη απόδοση 37%. Ο Stephen Forrest, διακεκριμένος πανεπιστημιακός καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών Peter A. Franken στο Πανεπιστήμιο του Michigan, εξήγησε: "Πρόκειται για μια παθητική μορφή μπαταρίας.
"Σε αντίθεση με τις ηλεκτροχημικές κυψέλες, δεν απαιτεί εξόρυξη λιθίου, αποφεύγοντας τον ανταγωνισμό με την αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων. Επίσης, σε αντίθεση με την υδροηλεκτρική αποθήκευση, μπορεί να αναπτυχθεί οπουδήποτε χωρίς να χρειάζεται πηγή νερού».
Οικονομικά αποδοτική και απλουστευμένη αποθήκευση θερμότητας
Σε μια μπαταρία θερμότητας, τα θερμοφωτοβολταϊκά στοιχεία περιβάλλουν ένα μπλοκ θερμαινόμενου υλικού σε θερμοκρασία άνω των 1000°C. Αυτή η θερμοκρασία μπορεί να επιτευχθεί με τη διέλευση ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές μέσω μιας αντίστασης ή με την απορρόφηση πλεονάζουσας θερμότητας από βιομηχανικές διεργασίες.
"Η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για να θερμανθεί κάτι είναι απλή και φθηνή σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτή η προσέγγιση παρέχει πρόσβαση σε πολλά διαφορετικά υλικά για θερμική αποθήκευση", εξήγησε ο Lenert.
Βελτιστοποίηση της σύλληψης φωτονίων
Στους 1435°C, περίπου το 20-30% των θερμικών φωτονίων που εκπέμπονται από το υλικό αποθήκευσης έχουν αρκετή ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμοφωτοβολταϊκά στοιχεία. Το κλειδί ήταν η βελτιστοποίηση του υλικού ημιαγωγού ώστε να συλλαμβάνει ένα ευρύτερο φάσμα ενέργειας φωτονίων. Για να αποφευχθεί η απώλεια ενέργειας από φωτόνια εκτός του εύρους του ημιαγωγού, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια δομή «γέφυρας αέρα» με ένα λεπτό στρώμα αέρα και έναν ανακλαστήρα χρυσού. Αυτή η σχεδίαση παγιδεύει φωτόνια με κατάλληλες ενέργειες για τον ημιαγωγό και ανακλά τα άλλα πίσω στο υλικό αποθήκευσης για επανεκπομπή. Μια πρόσφατη βελτίωση που περιλάμβανε δύο γέφυρες αέρα ενίσχυσε την αποδοτικότητα του σχεδιασμού και επέκτεινε το εύρος των χρήσιμων θερμοκρασιών για τις μπαταρίες θερμότητας. Ο Forrest εξέφρασε την αισιοδοξία του για την τεχνολογία αποθήκευσης θερμότητας: "Δεν έχουμε φτάσει ακόμη στο όριο της αποδοτικότητας.Είμαι βέβαιος ότι θα πετύχουμε υψηλότερη από 44% και θα προσεγγίσουμε σύντομα το 50% της απόδοσης».

Η ομάδα του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν έχει υποβάλει αίτηση για προστασία με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και αναζητά συνεργάτες για να φέρει αυτή την τεχνολογία στην αγορά, με στόχο να μεταμορφώσει την αποθήκευση θερμότητας και να υποστηρίξει την αυξανόμενη εξάρτηση από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Πηγή & Photo: https://www.innovationnewsnetwork.com/thermophotovoltaic-cells-breakthrough-achieves-44-heat-storage-efficiency/47824/