Termofotovoltaico

La conversió d'energia termofotovoltaica (TPV en anglés) és un procés de conversió directa de calor diferencial a electricitat per mig de fotons. Un sistema termofotovoltaico bàsic consistix en un emissor tèrmic i un diodo d'energia fotovoltaica.

La temperatura de l'emissor tèrmic varia segons diferents sistemes dels casi 900 °C a casi 1300 °C, encara que en principi els aparats TPV poden extraure energia de qualsevol emissor en una temperatura que supere aquella de l'aparat fotovoltaic (es crea un motor tèrmic òptic). L'emissor pot ser una peça d'un material sòlit o una estructura especialment manipulada. Una cèlula fotoeléctrica convencional és, de fet, un aparat en el que el Sol funciona com a emissor. l'emissió tèrmica és l'emissió espontànea de fotons pel canvi de càrregues elèctriques en el material. A temperatures TPV normals, esta radiació està en la seua major part en l'infrarrojo propenc i freqüència infrarroja. El diodo fotovoltaic pot absorbir algun d'estos fotons radiactius i convertir-ho en un portador de càrrega lliure, això és electricitat.

Els sistemes termofotovoltaicos tenen poques, si és que tenen alguna, peces movedores i són per això molt silenciosos i requerixen poc manteniment. Estes propietats fan que els sistemes termofotovoltaicos siguen adequats per a llocs lluntans i aplicacions generadores d'electricitat portàtils. Les seues propietats d'eficàcia energètica-despesa, no obstant, solen ser prou pobres comparades en atres tecnologies per a generar electricitat. Les investigacions actuals en l'àrea tenen com a objectiu aumentar l'eficàcia del sistema mantenint un cost baix.

En el disseny d'un sistema termofotovoltaico, és normal desijar igualar les propietats òptiques de l'emissió tèrmica (llongitut d'ona, polarisació electromagnètica, direcció) en les característiques de conversió més eficients de les cèlules fotovoltaiques, ya que l'emissió tèrmica bruta és la major font d'ineficàcia. Molts grups se centren en les cèlules d'antimoniuro de gali (GaSb). El germani (Ge) també és vàlit. Moltes investigacions i el desenroll dels sistemes termofotovoltaicos, per tant, s'ocupen de métodos de control de les propietats de l'emissor.

Molts atribuïxen l'idea d'este sistema al científic Pierre Aigrain (1956).

Les cèlules termofotovoltáicas han segut propostes a sovint com a mecanisme auxiliar de conversió d'energia per a la regeneració de calor perduda en atres sistemes, com a sistemes en turbina de vapor o cèlules solars. Inclús es va construir un prototip de coche termofotovoltaico. El "Viking 29" va ser el primer automòvil termofotovoltaico del món, dissenyat i construït pel Vehicle Research Institute (VRI) en l'Universitat de l'Oest de Washington.

L'investigació termofotovoltaica és un àrea molt activa. Entre uns atres, l'esforç de desenroll de la tecnologia de conversió de radioisòtops de l'Universitat d'Houston se centra en combinar al mateix temps la cèlula termofotovoltaica en un termoparell per a proporcionar una millora del 30% al 40% en l'eficàcia del sistema sobre els actuals generadors termoelèctrics de radioisòtops.

Orige

Els termofotovoltaicos són una classe de sistemes energètics que s'usen per a convertir l'energia tèrmica en energia elèctrica. Estan formats per, a lo manco, un emissor i un conversor d'energia fotovoltaica. No obstant, la majoria dels sistemes termofotovoltaicos també inclouen components adicionals com a concentradors, filtres i reflectores. El principi bàsic d'operació és similar al dels fotovoltaics (PV en anglés) tradicionals a on unió P-N s'usa per a absorbir energia òptica, generar i separar electrons/ buit d'electrons, i en fer-ho convertir eixa energia en potència elèctrica. La diferència és que l'energia òptica no és generada directament pel sol, sino per un material a alta temperatura (calfat l'emissor), que causa l'emissió de llum. D'esta manera, l'energia tèrmica es convertix en energia elèctrica.

Es pot calfar l'emissor per llum solar o per combustió. En este sentit, els termofotovoltaicos proporcionen una gran versatilitat en combustibles. En el cas de termofotovolaicos solars, es necessiten concentradors extremadament grans per a operacions eficients. Es poden conseguir grans millores en este concepte bàsic aprofitant els filtres o emissors selectius per a crear emissions en un radi de llongitut d'ona reduït que és optimisat pel conversor fotovoltaic (PV) específic usat en el sistema. D'esta manera, els termofotovoltaicos poden superar una dificultat dels fotovoltaics tradicionals, fent un us eficient de l'espectre solar complet. Per als emissors de cos negre, els fotons en menys energia que la banda prohibida del conversor no poden ser absorbits per a generar electrons/parelles de forats i són reflectits i es perden o travessen la cèlula. Els fotons en energia superior a la banda prohibida poden ser absorbits, pero l'excés d'energia, $\Delta G=E_{photon}-E_g$ , es torna a perdre, generant calor no desijada en la cèlula. En el cas dels termofotovoltaicos, pot haver casos similars, pero l'us d'emissors selectius (la emisividad per damunt d'una estreta llongitut d'ona), o filtres òptics que passen solament una gama de llongitut d'ona i reflecta totes les demés, es pot usar per a generar un espectre d'emissió atòmica gràcies al conversor fotovoltaic. D'esta manera, estos fotons no es perden o s'usen ineficazmente puix s'aumenta de forma dràstica l'eficàcia global del sistema. En el cas dels filtres reflectantes, l'emissor deu ser capaç d'absorbir tota esta gama per a usar eficaçment els fotons no convertits. Per a conseguir el rendiment màxim, es deuen convertir tots els fotons. Un procés calificat com a reciclage de fotons es pot utilisar per a conseguir-ho. Ací els reflectores es coloquen darrere del conversor i en qualsevol lloc del sistema a a on els fotons no es puguen dirigir eficientemente fins al colector. Estos fotons es tornen al concentrador a on es poden convertir, o a l'emissor a on es poden reabsorber per a generar calor i fotons adicionals. Un sistema termofotovoltaico ideal utilisaria fotons reciclats i una emissió selectiva per a usar tot els fotons i permetre la seua òptima conversió.

Rendiment

Per a comprendre el benefici total dels sistemes termofotovoltaicos, és útil una discussió sobre els principis d'eficiència en els termofotovoltaicos. El llímit absolut per a l'eficiència en els termofotovoltaicos (i tots els sistemes que convertixen l'energia tèrmica en treball) és l'eficiència Carnot, la d'un motor tèrmic ideal. Esta eficiència s'obté per:

$\eta =1-\frac{T_{cell}}{T_{emit}}$

a on T_cèlula és la temperatura del conversor fotovoltaic. Per a obtindre els millors valors raonables en un sistema pràctic, T_cèlula300K and T_emissió1800, obtenint un rendiment màxim del 83%. Este llímit establix el llímit superior per a l'eficiència del sistema. En el 83% d'eficiència, tota l'energia tèrmica es convertix en radiació per l'emissor, que gràcies als fotovoltaics es convertix després en energia elèctrica sense pèrdues, com termalización o pèrdues òhmiques. En la màxima eficàcia, també assumixen que no hi ha variació d'entropía, que solament és possible si l'emissor i la cèlula estan a la mateixa temperatura. Aixina i tot, com un llímit superior, és útil. Per la complexitat dels sistemes de termofotovoltaicos i les moltes fonts d'ineficiència, els models més precisos per a l'eficiència es tornen molt complexos, pero una discussió sobre les diverses fonts d'ineficiència que provoquen que els sistemes reals estiguen molt per baix d'este llímit mereix la pena.

Emissors

Per a l'emissor, les desviacions de la perfecta absorció de plom i el perfecte comportament de cos negre provoquen pèrdues de llum. Per al cas dels emissors selectius, qualsevol llum emesa en llongituts d'ona que no corresponga a l'energia de banda prohibida del fotovoltaic no es pot convertir en eficiència (per raons ya discutides dalt) i acaba reduint el rendiment. En particular, les emissions associades a resonàncies són difícils d'evitar per la llongitut d'ona dels infrarrojos lluntans, que són es poden convertir. Lo ideal: un emissor no emetrà en este radi, i l'energia es convertirà solament en llongituts d'ona que siguen fàcilment convertibles.

Filtres

Per a emissors de cos negre o emissors selectius imperfectes els filtres són necessaris per a reflectir llongituts d'ona no ideals de regrés a l'emissor. En la pràctica, estos filtres són rarament perfectes. Tota llum que s'absorbix o dispersa i no es redirigix a l'emissor o el convertidor es pert. Ademés, els filtres pràctics a sovint reflectixen un chicotet percentage de la llum en la llongitut d'ona desijada o transmet la llum de llongituts d'ona no ideal. Abdós poden provocar ineficiències.

Conversores

Inclús per a sistemes a on solament la llum de llongituts d'ona es passa al conversor, existixen ineficàcia relacionades en recombinació no radiactives i pèrdues òhmiques. ya que estes pèrdues poden dependre de l'intensitat de l'incidència de la llum en la cèlula, els sistemes reals deuen considerar l'intensitat produïda per una série de condicions (el material de l'emissor, filtre, temperatura de funcionament).

Geometria

En un sistema ideal, l'emissor estaria rodejat de conversores fotovoltaics per lo que no es perdria llum. No obstant, en realitat, la geometria deu acomodar-se a l'energia d'entrada (injecció de combustible o llum d'entrada) usada per a calfar l'emissor. Ademés, els alts costs prohibixen la colocació dels transformadors en tots els llocs. Quan l'emissor remet la llum, lo que no aplegue al conversor es pert. Es poden utilisar espills per a redirigir part d'esta llum cap a l'emissor, no obstant, els espills poden tindre les seues pròpies pèrdues.