Isıdan elektriğe dönüşümde %44 verimliliğe ulaşıldı: Klasik pillere rakip geliyor

Ekip, geliştirdikleri hücrelerin, 1.435°C sıcaklıkta %44'lük bir enerji dönüşüm verimliliğine sahip olduğunu ve mevcut yüksek sıcaklıkta enerji depolama sistemleri (1.200-1.600°C için hedef aralığa ulaştığını bildirdi. Araştırmacılara göre bu değer, aynı sıcaklık aralığında %37 verime ulaşan önceki tasarımlara göre önemli bir ilerleme.

Termofotovoltaik hücreler nedir?

Bu piller sayesinde yüksek üretim dönemlerinde, kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarının ürettiği enerji ısı pillerinde depolanabilir ve daha sonra güneş pillerinin termal bir varyantı olan termofotovoltaik (TPV) hücreler kullanılarak elektriğe dönüştürülebilir.

TPV'ler, yaygın olarak güneş hücreleri olarak bilinen fotovoltaik hücrelere benzer şekilde çalışıyor. Her iki teknoloji de elektromanyetik radyasyonu elektriğe dönüştürürken, termofotovoltaik hücreler görünür ışıkta bulunan yüksek enerjili fotonlar yerine özellikle düşük enerjili kızılötesi fotonları kullanıyor.

Bir ısı bataryasında TPV'ler en az 1000°C'ye kadar ısıtılan bir malzeme bloğunun etrafına yerleştirilecek. Bu yüksek sıcaklığa çeşitli şekillerde ulaşılabilir. Fazladan üretilen güneş veya rüzgar enerjisinin resistans vasıtasıyla ısıya dönüştürülmesiyle veya termal güneş enerjisi kullanılarak ısı bataryası şarj edilebilir. Diğer taraftan, çelik, cam veya beton üretimi gibi endüstriyel işlemlerde üretilen fazla ısının yakalanıp ısı bataryalarına aktarılması gibi seçenekler mevcut.

Araştırmanın baş yazarı Andrej Lenert, termal pillerle ilgili şunları söylüyor: "Aslında, bir şeyi ısıtmak için elektrik kullanmak, lityum iyon pillere kıyasla enerji depolamak için çok basit ve ucuz bir yöntem. Çünkü termal piller için depolama ortamı olabilecek birçok farklı malzeme bulunuyor."

Hava köprüleriyle enerji dönüşümü arttırıldı

Isıtılan depolama ortamı tarafından çeşitli termal enerji fotonları yayılıyor. Bunların yaklaşık %20-30'u, ekibin termofotovoltaik hücrelerine 1.435°C'de elektrik sağlamak için yeterli enerjiye sahip. Ancak yarı iletkenin elektriğe dönüştürebileceği enerjinin üstünde ve altında fotonlar da ısı kaynağı tarafından üretiliyor. Dikkatsiz mühendislik durumunda bunlar kayboluyor. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, yarı iletkenin hemen arkasına yerleştirilen termofotovoltaik hücreye ince bir hava katmanı entegre ettiler ve hava boşluğunun ötesine altın bir reflektör yerleştirdiler.

Hava köprüsü olarak bilinen bu yapı, doğru enerjiye sahip fotonların yarı iletkene girmesine yardımcı olurken, geri kalanını ısı depolama malzemesine geri yönlendiriyor. Böylece, enerjinin, yarı iletkenin yakalayabileceği fotonlar halinde yeniden yayılması için bir şans daha sağlanıyor. Araştırmacılar, güneş pillerinin aksine, termofotovoltaik hücrelerin, yararlı olmayan fotonları geri kazanabileceğini belirtiyor.

Araştırmacılar, yakın zamanda yapılan bir çalışmada, iki hava köprüsü üst üste konularak tasarım iyileştirilmeye çalışılıyor. Böylece, ısı pillerinin kullanılabileceği sıcaklık aralığı ve enerjiye dönüştürülebilecek foton aralığının arttırılması hedefleniyor.

Bu çalışmayla araştırmacılar, daha düşük emitör sıcaklıklarında tek bağlantılı hücreler kullanarak büyük ölçekli TPV uygulamaları için hava köprüsü hücrelerinin potansiyelini gösterdiler. Ancak teknolojinin verimlilik sınırına henüz ulaşılmadığını belirtiyorlar ve kısa sürede %50 verimliliğe ulaşacaklarından eminler.