Um novo motor de aquecimento sem partes móveis é tão confiável quanto um gerador de vapor pesado

Os projetistas do MIT e o National Renewable Energy Laboratory (NREL) fizeram um motor quente sem realocar componentes. Suas novas apresentações mostram que ele converte calor em energia com mais de 40% de eficiência. Uma eficiência melhor que a dos geradores de vapor convencionais.

O motor de aquecimento é uma célula termofotovoltaica (TPV). Semelhante às células do painel fotovoltaico, que registra passivamente fótons de alta energia de um recurso quente e quente. Também os converte diretamente em energia elétrica. O layout da equipe pode gerar energia a partir de um recurso quente entre 1.900 e 2.400 graus Celsius, ou até cerca de 4.300 níveis Fahrenheit.

Integração e demonstração

Os cientistas se preparam para integrar a célula TPV em uma bateria térmica em escala de grade. O sistema certamente absorveria o excesso de energia de fontes sustentáveis, como o sol. Ele também armazena essa energia em bancos altamente isolados de grafite quente. Quando a energia é necessária, como em dias nublados, as células TPV transformam o calor em energia elétrica. Além de enviar a energia para uma rede elétrica.

Com a nova célula TPV, a equipe agora mostrou com sucesso quase todos os sistemas em experimentos separados e em pequena escala. Eles estão trabalhando para incorporar os componentes para demonstrar um sistema completamente funcional. A partir daí, eles desejam ampliar o sistema para mudar as usinas nucleares movidas a combustível fóssil. Eles também desejam permitir uma rede elétrica totalmente descarbonizada, totalmente abastecida por energia renovável.

Asegun Henry disse que as células termofotovoltaicas foram o último passo fundamental para mostrar que as baterias térmicas são um conceito sensato. Robert N. Noyce Job Growth Teacher no Departamento de Projeto Mecânico do MIT. “Este é definitivamente um passo vital no caminho para proliferar a energia renovável, bem como chegar a uma rede totalmente descarbonizada.”

Henry e seus parceiros divulgaram seus resultados hoje na revista Nature. Os coautores do MIT incluem Alina LaPotin, Kevin Schulte, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf e também Evelyn Wang. O Professor de Design da Ford, bem como chefe do Departamento de Design Mecânico, juntamente com colaboradores do NREL em Golden, Colorado.

Saltando o vazio

Mais de 90% da energia do globo vem de recursos de calor como carvão, gás, energia atômica e também energia solar focada . Por um século, as turbinas a vapor têm sido o padrão da indústria para converter esses recursos de calor em energia elétrica.

Geralmente, as turbinas eólicas a vapor convertem com precisão cerca de 35% de uma fonte de calor em eletricidade. Com cerca de 60% representando a maior eficiência de qualquer tipo de motor térmico até hoje. No entanto, o equipamento depende de componentes móveis que são limitados pelo nível de temperatura. Fontes quentes acima de 2.000 níveis Celsius, como o sistema de bateria térmica proposto por Henry, certamente também seriam quentes para geradores.

Recentemente, pesquisadores verificaram alternativas de estado sólido em motores térmicos sem partes móveis, que podem funcionar com sucesso em temperaturas mais altas.

Henry afirma que “Uma das vantagens dos conversores de energia de estado sólido é que eles podem funcionar em temperaturas mais altas. Com preços de manutenção reduzidos, uma vez que não possuem peças para realocação”. “Eles simplesmente ficam lá e também geram energia com precisão.”

Lidando com a eficácia

As células termofotovoltaicas usaram um caminho exploratório para motores de calor de estado sólido. Semelhante a baterias solares. As células TPV podem ser feitas de produtos semicondutores com um bandgap específico. A lacuna entre a banda de valência de um produto e sua banda de condução. Se um fóton com alta energia suficiente for absorvido pelo material, ele pode chutar um elétron através do bandgap. Onde o elétron pode depois que conduzir. Bem como, assim, produzir eletricidade. Fazendo isso sem mover lâminas ou lâminas.

Até o momento, muitas células TPV atingiram apenas desempenhos de cerca de 20%, com o documento em 32%, pois foram feitas de produtos de banda relativamente baixa que transformam fótons de baixa temperatura e baixa energia, bem como para essa razão converte a energia de forma muito menos eficaz.

Capturando a luz

Em seu novo projeto TPV, Henry e seus colegas pretendiam capturar fótons de alta energia de uma fonte de calor de temperatura mais alta. Transformando assim a energia com muito mais eficiência. A nova célula da equipe faz isso com materiais de banda mais alta e também várias juntas ou camadas de material. Comparado com os projetos de TPV existentes.

A célula é produzida a partir de três regiões principais: uma liga de banda larga. Que repousa sobre uma liga de banda ligeiramente inferior, abaixo da qual há uma camada de ouro semelhante a um espelho. A primeira camada retém os fótons de maior energia de uma fonte de calor. Além de convertê-los em eletricidade. Enquanto os fótons de baixa energia que passam pela primeira camada são registrados pela 2ª e transformados para incluir na tensão produzida. Qualquer tipo de fóton que percorra essa segunda camada é, depois do mostrado pelo espelho, de volta ao recurso quente, em vez de ser absorvido como calor desperdiçado.

O grupo avaliou o desempenho da célula colocando-a sobre um sensor de fluxo de calor. Um gadget que determina diretamente o calor absorvido da célula. Eles submeteram a célula a uma luz de alta temperatura e também concentraram a luz na célula. Depois disso, diferiu a força da lâmpada ou o nível de temperatura. E também observou como a eficiência de energia da célula é a quantidade de energia produzida. Comparado com o calor que absorvia alterado com o nível de temperatura. Em uma faixa de 1.900 a 2.400 graus Celsius, a nova célula TPV preservou uma eficiência de cerca de 40%.

Henry afirma que “eles podem obter uma alta eficiência em uma ampla série de temperaturas pertinentes às baterias térmicas”.

Escalabilidade

A célula no experimento tem cerca de um centímetro quadrado. Para um sistema de bateria térmica em escala de grade, Henry imagina que as células TPV certamente precisariam escalar até cerca de 10.000 pés quadrados (cerca de um quarto de um campo de futebol). Assim como funcionaria em armazéns climatizados para atrair energia de enormes bancos de energia solar economizada. Ele menciona que existem instalações para fabricar baterias solares massivas, que também podem ser adaptadas para fazer TPVs.

“Há definitivamente uma significativa web favorável abaixo em relação à sustentabilidade”, afirma Henry. “A tecnologia moderna é isenta de riscos, ecologicamente benigna em seu processo de vida e também pode ter um impacto significativo na moderação das emissões de dióxido de carbono da produção de eletricidade.”

Este estudo foi sustentado, em parte, pela Divisão de Energia dos Estados Unidos.

Recurso da história:

Produtos oferecidos pelo Instituto de Tecnologia Moderna de Massachusetts . Inicialmente composta por Jennifer Chu. Tenha em mente: o material pode ser modificado para estilo e comprimento.

Referência da revista:

Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, Eric J. Tervo, Ryan M. France, Michelle R. Youthful, Andrew Rohskopf, Shomik Verma, Evelyn N. Wang, Asegun Henry. Eficácia termofotovoltaica de 40%. Natureza, 2022; 604 (7905): 287 DOI: 10,1038/s41586-022-04473-y.

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