เครื่องยนต์

เครื่องยนต์ความร้อนคือเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก (TPV) ซึ่งคล้ายกับเซลล์แสงอาทิตย์ของแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งจะจับโฟตอนพลังงานสูงจากแหล่งความร้อนสีขาวและแปลงเป็นไฟฟ้า การออกแบบของทีมสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าจากแหล่งความร้อนระหว่าง 1,900 ถึง 2,400 องศาเซลเซียส หรือสูงถึงประมาณ 4,300 องศาฟาเรนไฮต์ นักวิจัยวางแผนที่จะรวมเซลล์ TPV เข้ากับแบตเตอรี่ความร้อนระดับกริด ระบบจะดูดซับพลังงานส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ดวงอาทิตย์ และเก็บพลังงานนั้นไว้ในธนาคารกราไฟต์ร้อนที่มีฉนวนหนา เมื่อต้องการพลังงาน เช่น ในวันที่มีเมฆมาก เซลล์ TPV จะเปลี่ยนความร้อนเป็นไฟฟ้า และส่งพลังงานไปยังโครงข่ายไฟฟ้า ด้วยเซลล์ TPV ใหม่ ตอนนี้ทีมประสบความสำเร็จในการสาธิตส่วนหลักของระบบในการทดลองขนาดเล็กที่แยกจากกัน พวกเขากำลังทำงานเพื่อรวมส่วนต่าง ๆ เพื่อสาธิตระบบการทำงานเต็มรูปแบบ จากจุดนั้น พวกเขาหวังที่จะขยายขนาดระบบเพื่อทดแทนโรงไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิล และเปิดใช้โครงข่ายไฟฟ้าแบบแยกคาร์บอนทั้งหมด ซึ่งจัดหาโดยพลังงานหมุนเวียนทั้งหมด Asegun Henry, Robert N. Noyce Career Development Professor, MIT's Department of Mechanical Engineering กล่าวว่า "เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่เทอร์มอลเป็นแนวคิดที่ใช้การได้ "นี่เป็นขั้นตอนที่สำคัญอย่างยิ่งบนเส้นทางที่จะเพิ่มจำนวนพลังงานหมุนเวียนและเข้าสู่กริดที่ลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์" Henry และผู้ร่วมงานของเขาได้เผยแพร่ผลงานของพวกเขาในวัน นี้ในวารสารNature ผู้เขียนร่วมที่ MIT ได้แก่ Alina LaPotin, Kevin Schulte, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf และ Evelyn Wang ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมของ Ford และหัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล พร้อมด้วยผู้ทำงานร่วมกันที่ NREL ในเมือง Golden รัฐโคโลราโด กระโดดข้ามช่องว่าง ไฟฟ้ามากกว่าร้อยละ 90 ของโลกมาจากแหล่งความร้อน เช่น ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ พลังงานนิวเคลียร์ และพลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้น เป็นเวลากว่าศตวรรษที่กังหันไอน้ำเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการแปลงแหล่งความร้อนให้เป็นไฟฟ้า โดยเฉลี่ยแล้ว กังหันไอน้ำสามารถแปลงแหล่งความร้อนเป็นไฟฟ้าได้ประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ โดยประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์แสดงถึงประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนที่มีอยู่ในปัจจุบัน แต่เครื่องจักรขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ซึ่งมีอุณหภูมิจำกัด แหล่งความร้อนที่สูงกว่า 2,000 องศาเซลเซียส เช่น ระบบแบตเตอรี่ความร้อนที่เสนอโดย Henry จะร้อนเกินไปสำหรับกังหัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้มองหาทางเลือกในสถานะของแข็ง นั่นคือ เครื่องยนต์ ความร้อนที่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงขึ้น "ข้อดีอย่างหนึ่งของเครื่องแปลงพลังงานโซลิดสเตตคือสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นด้วยค่าบำรุงรักษาที่ต่ำกว่า เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว" เฮนรี่กล่าว "พวกเขาแค่นั่งตรงนั้นและผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างน่าเชื่อถือ" เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกเสนอเส้นทางสำรวจหนึ่งเส้นทางไปยังเครื่องยนต์ความร้อนโซลิดสเตต เช่นเดียวกับเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์ TPV สามารถทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบกั้นเฉพาะ - ช่องว่างระหว่างแถบวาเลนซ์ของวัสดุและแถบการนำไฟฟ้า หากโฟตอนที่มีพลังงานสูงเพียงพอถูกดูดซับโดยวัสดุ โฟตอนสามารถเตะอิเล็กตรอนข้ามแบนด์แกปได้ ซึ่งอิเล็กตรอนจะสามารถนำไฟฟ้าได้ และด้วยเหตุนี้จึงสร้างกระแสไฟฟ้าได้ โดยไม่ต้องขยับโรเตอร์หรือใบมีด จนถึงปัจจุบัน เซลล์ TPV ส่วนใหญ่มีประสิทธิภาพเพียงประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ โดยมีสถิติอยู่ที่ 32 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากเซลล์เหล่านี้ทำจากวัสดุที่มีแบนด์แกปค่อนข้างต่ำ ซึ่งแปลงโฟตอนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า พลังงานต่ำ ดังนั้นจึงแปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพน้อยลง . จับแสง ในการออกแบบ TPV ใหม่ของพวกเขา Henry และเพื่อนร่วมงานมองหาการจับภาพโฟตอนที่พลังงานสูงกว่าจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ซึ่งจะเป็นการแปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เซลล์ใหม่ของทีมทำได้โดยใช้วัสดุที่มีช่องว่างแถบความถี่สูงกว่าและจุดเชื่อมต่อหลายจุด หรือชั้นวัสดุ เมื่อเทียบกับการออกแบบ TPV ที่มีอยู่ เซลล์ถูกสร้างขึ้นจากสามส่วนหลัก ได้แก่ โลหะผสมที่มีแบนด์แกปสูงซึ่งอยู่เหนือโลหะผสมที่มีแบนด์แกปต่ำกว่าเล็กน้อย ด้านล่างเป็นชั้นทองคำที่เหมือนกระจก ชั้นแรกจับโฟตอนพลังงานสูงสุดของแหล่งความร้อนและแปลงเป็นไฟฟ้า ในขณะที่โฟตอนพลังงานต่ำที่ผ่านชั้นแรกจะถูกจับโดยชั้นที่สองและแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้น โฟตอนใดๆ ที่ผ่านชั้นที่สองนี้จะถูกสะท้อนโดยกระจกกลับไปยังแหล่งความร้อน แทนที่จะถูกดูดซับเป็นความร้อนที่สูญเปล่า ทีมงานได้ทดสอบประสิทธิภาพของเซลล์โดยวางไว้เหนือเซ็นเซอร์การไหลของความร้อน ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่วัดความร้อนที่ดูดซับจากเซลล์โดยตรง พวกเขาเปิดเซลล์กับหลอดไฟที่มีอุณหภูมิสูงและรวมแสงไปที่เซลล์ จากนั้น พวกเขาเปลี่ยนความเข้มหรืออุณหภูมิของหลอดไฟ และสังเกตว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเซลล์ - ปริมาณพลังงานที่ผลิตขึ้นเมื่อเทียบกับความร้อนที่ดูดซับไว้ - เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิอย่างไร ในช่วงอุณหภูมิ 1,900 ถึง 2,400 องศาเซลเซียส เซลล์ TPV ใหม่ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ "เราสามารถได้รับประสิทธิภาพสูงในช่วงอุณหภูมิต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ความร้อน" เฮนรี่กล่าว เซลล์ในการทดลองมีขนาดประมาณหนึ่งตารางเซนติเมตร สำหรับระบบแบตเตอรี่ความร้อนระดับกริด Henry จินตนาการว่าเซลล์ TPV จะต้องขยายขนาดได้ถึง 10,000 ตารางฟุต (ประมาณหนึ่งในสี่ของสนามฟุตบอล) และจะทำงานในคลังสินค้าที่มีการควบคุมสภาพอากาศเพื่อดึงพลังงานจากธนาคารขนาดใหญ่ที่เก็บไว้ พลังงานแสงอาทิตย์ เขาชี้ให้เห็นว่ามีโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถนำไปปรับใช้เพื่อผลิต TPV ได้ "มีข้อดีสุทธิมหาศาลในแง่ของความยั่งยืน" เฮนรี่กล่าว "เทคโนโลยีนี้มีความปลอดภัย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในวงจรชีวิตของมัน และอาจมีผลกระทบอย่างมากในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการผลิตไฟฟ้า"