43 ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - Страница 2

С.М. Карабанов, Б.Н. Сажин, Н.Э. Соколовская, Э.И. Соколовский

ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

(Обзор)

В последнее время в плане совершенствования альтернативных источников энергии разработаны устройства, работа которых основана на прямом преобразовании энергии светового и теплового потоков излучения от специального источника (эмиттера излучения), - термофотоэлектрические преобразователи. В зарубежной литературе эти устройства обозначаются как TPV (termophotovoltaic).

 

1. Энергетическая эффективность TPV

Развитие термофотоэлектрического направления началось в конце 60-х годов. До этого времени преобразование тепла в электроэнергию осуществлялось с помощью кремниевых фотоэлектрических  элементов, чувствительных к световому потоку в ближайшей ИК области спектра. Из-за высокой температуры излучателя КПД преобразования таких структур был низок [1]. Практическая реализация данного принципа генерации электрической энергии стала  возможной благодаря разработке высокоэффективных гетероструктур на основе материалов с малой шириной запрещенной зоны Eg = 0,6...0,75 эВ и созданию эмиттеров излучения с селектив-ным спектром в области температур 1000...1500 оС [2]. Наиболее перспективным фоточувствительным материалом для этой области температур являются гетероструктуры на основе антимонида галлия (Eg = 0,75 эВ). В диапазоне температур излучателя 1300...1700 оС мощность TPV на GaSb в 4...6 раз превышает мощность кремниевых фотоэлектрических преобразователей (рис.1) [3].

В настоящее время установлено, что оптимальным диапазоном температур ИК- излучателя в TPV является интервал 1200...1500оС. При этих температурах обеспечивается надежная работа доступных и не очень дорогих керамических материалов излучателя (карбид кремния и др.) при относительно простых системах теплосброса (водяных либо воздушных) [2,3]. В TPV на основе гетероструктурных соединений GaSb возможна генерация электрической мощности с плотностью более 3 Вт/см2 [3].

Максимальная расчетная эффективность фотоэлектрического преобразователя составляет около 40% для теплового излучения, поглощаемого полупроводником при температуре излучателя 1300...1500 оС, но КПД системы в целом будет существенно ниже вследствие потерь при генерации ИК- излучения, не поглощаемого в полупроводнике, и потерь в результате теплоотвода конвекцией и теплопроводностью в окружающую среду. Потери могут быть сведены к минимуму путем преобразования падающего потока с помощью селективно излучающих элементов и фильтров, преобразующих излучаемый поток. Специально разработанные фильтры отражают непоглощенное излучение обратно в излучатель. Отраженные фотоны поглощаются излучателем для повторного использования их энергии.

Эффективность преобразования повышается применением материалов излучателей с селективным спектром излучения. Селективные эмиттеры обеспечивают перекачку первичного потока в излучение, максимально согласованное со спектром фотоответа фотоэлектронного преобразователя. В идеальном случае селективный излучатель должен иметь узкополосную характеристику излучения с высокой излучательной способностью в пределах этой полосы и низкой -  вне данной полосы излучения. Такая характеристика свойственна  изолированному атому. Большинство твердых тел имеют широкий спектр излучения из-за высокой концентрации атомов. Единственный путь получения селективного излучения - это найти материал, который ведет себя как изолированный атом.

При низких плотностях вещества, как, например, в газе или в плазме, спектр излучения аналогичен изолированному атому. Поэтому в первых селективных излучателях применялась плазменная структура на парах цезия [1]. КПД такой системы был относительно высоким, однако система имела два недостатка: во-первых, очень высокую рабочую температуру, во-вторых, низкую плотность энергии в зоне излучения.

В качестве материала селективных эмиттеров в случае фотоэлектронных преобразователей на основе антимонида галлия наилучшие результаты получены на алюмоиттриевых гранатах, легированных тулием, лютецием, гольмием и другими элементами лантаноидной группы. Применение этих материалов обосновано тем, что элементы редкоземельной группы в твердом теле ведут себя почти как изолированные атомы, поскольку в кристаллах орбиты с валентностью 4f, которые определяют спектр излучения и поглощения, лежат внутри электронных орбит 5s и 5p, «защищающих» электроны с валентностью 4f от воздействия окружающих ионов. В результате эмиттеры, выполненные на основе редкоземельных элементов, при нагреве формируют излучение в узком диапазоне длин волн.

 

Как видно из рис. 2, такой селективный эмиттер способен эффективно «перекачивать» излучение со спектром абсолютно черного тела в излучение с узкополосным спектром в районе длин волн примерно lm= 1,8 мкм, соответствующих области интенсивного поглощения фотопреобразователей на основе GaSb.

Наиболее удачным излучателем, разработанным в исследовательском центре CRC, является излучатель на основе иттрий-алюминиевых гранатов (YAG, Y3Al5O15 ), легированных ионами редкоземельных металлов [3]. Иттрий-алюминиевый гранат может быть легирован любым из редкоземельных элементов. Наиболее часто для этой цели используются системы YAG:Er и YAG:Ho [3,4] с максимумом излучения в области 1,55  и 1,95 мкм соответственно. Эти системы наиболее полно подходят для TPV преобразователей, предназначенных для работы в среднем диапазоне температур.

Другие возможные варианты систем эмиттер - фотопреобразователь представлены в таблице [4].

ФЭП

Эмиттер

lm,нм

Si(монокристаллический)

Yb2O3

1100

GaSb

Er2O3

1770

InGaAs

Ho2O3

2200

Дальнейшее совершенствование TPV обеспечивается использованием фотопреобразователей с каскадной гетероструктурой, применением зеркал на торцевых сторонах фотопреобразователя,  а также многослойных эмиттерных фильтров полой конструкции. Все это позволяет существенно повысить эффективность преобразования. КПД системы в целом может достигать 20 %. Для сравнения, КПД наиболее совершенных тепловых электростанций не превышает 40 %. В качестве источника тепла могут применяться: природный газ (пропан), бензин, водород.

Общий вид конструкции термофотопреобразователя с указанными выше особенностями показан на рис.3 [4].

2. Системы спектрального преобразования фотосигнала

 

Большинство TPV используют систему спектрального преобразования   фотосигнала, устанавливаемую во    фронтальной части устройства в виде: селективный излучатель   и /или оптический фильтр в сочетании с традиционным фотоэлектрическим преобразователем.

Альтернативный подход включает использование спектрального преобразования на тыльной стороне поверхности излучателя. Фотоны, которые TPV-устройство не может преобразовать, возвращаются  в излучатель, отражаясь от инфракрасного отражателя.

В соответствии с этим принципом был разработан новый элемент спектрального преобразования, установленный на тыльной стороне, названный взаимосвязанным модулем, или MIM [1]. Он состоит из последовательно соединенных слоев InGaAs на подложке из InP. Инфракрасный отражатель из фосфида индия нанесен на тыльную сторону подложки для отражения фотонов в направлении фронтальной стороны устройства. Это обеспечивает второй проход фотонов, способных к фотоэлектрическому преобразованию. Фотоны с большой длиной волны возвращаются на излучатель для термической рециркуляции.

3.Инфракрасные эмиттеры, подходящие для использования в TPV эмиттерах из GaSb

Для получения высокой плотности излучения нужны очень высокие температуры излучателя, что приводит к сокращению срока службы материала и снижению КПД системы.

Для повышения КПД системы в работе [5] предлагается воспользоваться свойствами металлов переходной группы. Предлагаемые варианты инфракрасных эмиттеров имеют более широкую полосу излучения и более высокую излучательную способность, чем эмиттеры  на основе системы в виде абсолютно черного тела, что  позволяет снизить температуру излучателя до 1400 0C. Эмиттер состоит из матрицы на основе  высокотемпературной керамики, легированной тугоплавким оксидом кобальта.  Материалом матрицы могут служить алюмооксидная керамика (Al2O3), магнезиальная (на основе соединений MgO) либо шпинель (Al2MgO4). Благодаря применению кобальта, являющегося переходным металлом с d-переходами вместо редкоземельных элементов, удается расширить диапазон излучения в области больших длин волн - 1...1,7 мкм (инфракрасная область оптического спектра).

Испытание на долговечность указанных материалов эмиттера все еще находится на стадии исследований. Проведенные испытания показали, что, по крайней мере, две из исследованных структур способны прочно связывать легирующие элементы. После многих часов работы при температуре выше 1523 К спектр излучения сохранял высокую стабильность.

4. Эксплуатационные параметры TPV

Термофотоэлектрические преобразователи по сравнению с электромеханическими генераторами на основе двигателей внутреннего сгорания имеют следующие преимущества:

n больший срок службы вследствие отсутствия быстро изнашивающихся движущихся элементов;

n меньшее загрязнение окружающей среды вследствие более полного сгорания поступающего топлива;

n бесшумность.

По сравнению с источниками энергии на основе солнечных батарей:

n возможность круглосуточной работы (при наличии топлива), в то время как наземные солнечные батареи работают в среднем примерно 40 % времени суток;

n более высокий удельный энергосъем с поверхности фотопреобразователя (в TPV удельный энергосъем > 2 Вт/см2, что в 100 - 150 раз больше удельного энергосъема с поверхности солнечных батарей в космосе и в 300 - 400 раз больше удельного энергосъема наземных источников).

По сравнению с другими типами электрогенераторов (термоэлектрических, термоэмиссионных, топливных элементов и т.д.) TPV имеют более высокий КПД - 20 % и более.

5. Возможные области применения TPV

В космосе: независимый от энергии Солнца источник питания бортовой аппаратуры.

На Земле:

n питание  радиоэлектронной аппаратуры (10 - 100 Вт);

n автономное обеспечение электроэнергией удаленных населенных пунктов, геологических партий, маяков (до 10 кВт);

n электромобили [6] и стационарные электрогенераторы (более 10 кВт).

В качестве примера применения TPV на 4-й международной конференции NREL по альтернативным источникам энергии профессор Майкл Сил и его коллеги из Автомобильного исследовательского института Университета Западной Вирджинии представили электромобиль гибридной конструкции (Viking 29) с подзарядкой никель-кадмиевых аккумуляторов с помощью TPV мощностью 600 Вт. Топливом в автомобиле является природный газ. Без подзарядки пробег электромобиля составлял 50 миль, с TPV - более 200 миль.

 

Библиографический список

1. Thermophotovoltaic energy conversion  technology development at NASA glenn research center 16-th European Photovoltaic Solor Energy Conference, 1-5, May, 2000, Glasgow, UK.

2. Andreev V.M., Khvosticov V.P., Rumyantsev V.D. GaSb/InGaAsSb cells for Use in TPV Generators Ioffe-Phisico-Technolog. Institute; 26 Polytechnicheskaya, St. Peterburg, 194021, Russia.

3. Andreev V.M., Khvosticov V.P., Rumyantsev V.D., Sorocina S.V. High  Efficient GaSb Thermophotovoltaice Cells Book of Abstrocts: 16th European Photovoltaice Colar Energy Conference, Glasgow, May, 2000.

4. Thermophotovoltaik kombineirt Strom-und Wgrmeerzeung Dieleuchtende Heizung (http://www.ch/themen/haustechnik/tpvvoltaik).

5. Luke Fergusos and Levis Fraas. Matched Infrared Emitter for Use with GaSb TPV Cells, Thermophotovoltaic Generation of Electricity: Third NREL Conference, editer by Benner/Coutts; 1997. The American Institute of Physics.

6. Timothy J. Coutts, John P. Benner, and Carole S. Alman, TPV/Hybrid Car:Viking 29, National Renawable Energy Laboratory, Golden, Colorado, Thermophotovoltaic Generation of Electricity: FOURTH NREL CONFERENCE, Marth, 1999.

 

Материал поступил в редколлегию 30.01.02



УДК 531.7