Termofotovoltaika

Termofotovoltaika je vysoce účinné metoda přeměny tepelné energie na elektrickou prostřednictvím tělesa zahřívaného přímo ve spalovací zóně hořáku (tzv. emitoru) a polovodiče.

Za průkopníka této metody je považován francouzský fyzik Pierre Aigrain, který na výzkumu termofotovoltaických (TPV) článků pracoval především v americkém Technologickém institutu v Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology MIT) .

Srdcem generátoru je válec z wolframu, do kterého bylo vyleptáno velké množství nepatrných otvorů. V něm je při vysoké teplotě spalováno palivo (např. methan) a emitor se tak zahřívá na teplotu 900–1300 °C. Jeho povrch proto vyzařuje infračervené záření, které prochází speciálním flitrem. Ten propouští jen vybrané vlnové délky, zatímco zbytek odráží zpět, čímž se zvyšuje teplota válce a roste tak účinnost celého procesu. Prošlé infračervené záření dále dopadá na pole fotodiod, které přemění energii dopadajícího elektromagnetického záření přímo na elektrický proud.

Výhodou TPV článků oproti klasickému palivovému článku je jednoduchost a oproti generátoru se spalovacím motorem navíc absence nespolehlivých pohyblivých dílů. Chod generátoru je klidný a tichý, protože spalovací proces probíhá nepřerušovaně. Jako palivo lze přitom použít nejen klasická paliva, ale i biopaliva z obnovitelných zdrojů, například methan, ethanol, bioplyn a další.

Za velkou výhodu lze považovat poměrně vysokou účinnost ve srovnání s klasickými fotovoltaickými články, u kterých je za dobrou účinnost považována již 15 % přeměna vstupní energie na elektrický proud. U TPV hořáku je účinnost minimálně 25 %, lze však dosáhnout i 50 % a více (podle konstrukce, použitého měniče a polovodiče).

Za nevýhodu lze považovat především poměrně vysokou provozní teplotu zařízení a předmětem současného výzkumu je mimo jiné i využití vznikajícího tepla pro další praktické úkoly.

Významnou roli hraje i zatím stále vysoká výrobní cena zařízení, především fotocitlivých diod pro infračervené záření.

Jako s primárním zdrojem elektrické energie se s TPV generátorem zatím uvažuje především pro menší jednotky, sloužící k zásobování elektřinou např. na odlehlých místech a menších osadách. Nelze však pochopitelně vyloučit, že by ve vzdálenější budoucnosti nahradil celé klasické nebo jaderné elektrárny.

V blízké budoucnost se nabízí praktické využití v automobillech. Zpočátku by takový systém například mohl s výhodou nahradit běžné alternátory a řešit některé problémy dieselových motorů. Ještě víc se ale hodí jako hlavní zdroj energie pro hybridní vozy – v dalších etapách vývoje by jim mohl posloužit jako čistý a úsporný zdroj elektrické energie. Stejně tak se nabízí možnost využít TPV v klimatizačních jednotkách.

Patrně první komerčně využitelný osobní automobil s TPV generátorem zkouší americký Institut pro výzkumu motorových vozidel (WTI) pod názvem Viking 29. Jde o sportovně vyhlížející automobil s 8 TPV generátory na zemní plyn, každý s výkonem přibližně 10 kW pracující při teplotě asi 1 430 °C a fotočlánky na bázi gallia a arzenu. Vyrobená energie se ukládá do nikl-kadmiového akumulátoru a vlastní pohonnou jednotkou je elektromotor o výkonu 53 kW.

Protože klasické solární panely jsou totiž zatím značně drahé, je TPV generátor zajímavou variantou zlevnění výroby elektřiny ze sluneční energie. K zahřátí generátoru se použije sluneční světlo, soustředěné parabolickým zrcadlem do malého prostoru v ohnisku zrcadla, v němž je umístěn emitor generátoru.

Zdrojem tepelného záření nemusí být pouze Slunce nebo klasický spalovací emitor. Při ohřevu emitoru teplem z jaderného reaktoru by bylo možné značně zvýšit účinnost jaderných reaktorů (pravděpodobně až nad 50%) a současně se taková jaderná elektrárna obejde bez složitého a ekonomicky náročného sekundárního okruhu. V mnohem menším měřítku by mohly také pracovat generátory, využívající tepelnou energii při rozpadu některých radioizotopů a sloužící pro výrobu elektřiny na kosmických sondách, pracujících ve velké vzdálenosti od Slunce nebo dokonce směřující až za hranici sluneční soustavy.

• Thermophotovoltaics Washington University.
• Thermophotovoltaics Massachusetts Institute of Technology.
• 6th International Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity
• NASA Radioisotope Power Conversion Technology NRA Overview
• New thermophotovoltaic materials could replace alternators in cars and save fuel