A Michigani Egyetem (U-M) kutatása szerint a hőt villamos energiává alakító eszközök közelítenek az elméleti maximális hatékonysághoz, így egyre inkább alkalmasak a hálózati használatra.
A termikus napelemek felhasználhatók arra, hogy az időszakos megújuló energiát villamos energiává alakítsák, és csúcsidőszakokban hőelemekben tárolják.
Andrej Lenert, az U-M vegyészmérnöki karának docense és a Joule-ban megjelent tanulmány fő szerzője elmagyarázza, hogy ahhoz, hogy a megújuló energiaforrások arányát növeljük a villamosenergia-hálózaton a dekarbonizációs célok elérése érdekében, szükség van olyan energiatároló rendszerekre, amelyek egyszerre olcsóbbak és képesek hosszabb időszakokra tárolni az energiát. Ez azért fontos, mert a nap- és szélerőművek által termelt energia nem mindig esik egybe az energiaigény idejével.
A termofotovoltaikus cellák hasonlóan működnek, mint a fotovoltaikus cellák, amelyeket gyakrabban napcelláknak neveznek. A termofotovoltaikusok infravörös fotonokat használnak, amelyek kisebb energiájúak, hogy az elektromágneses sugárzást villamos energiává alakítsák, szemben a látható fény fotonjaival, amelyek nagyobb energiájúak.
A csapat új készüléke 44%-os teljesítmény-átalakítási hatékonyságot mutatott 1435°C hőmérsékleten, ami az ideális 1200°C és 1600°C közötti tartományba esik a magas hőmérsékletű energiatárolás szempontjából. Ez meghaladja a korábbi tervek által elért 37%-ot ezen hőmérsékleteken.
A tanulmány egyik közreműködő szerzője, aki a Michigani Egyetem Peter A. Franken Distinguished University Professzora az elektrotechnika területén, szerint ez egy rendkívül passzív típusú akkumulátor. Nincs szükség lítium bányászatára, mint az elektrokémiai cellák esetében, így nincs szükség a versengésre az elektromos járműiparral. A vízerőművek szivattyús energiatárolásával ellentétben ez a módszer helyfüggetlen, és nincs szükség közeli vízforrásra.
A termofotovoltaikus cellák egy hőelemből származó fűtött anyagtömböt vennének körül, amelyet legalább 1000°C hőmérsékleten tartanak. Ezt a hőmérsékletet el lehet érni, ha egy szélerőmű vagy naperőmű áramát egy ellenálláson keresztül vezetik, vagy ha a napenergiából vagy az acél, üveg vagy beton gyártásából származó felesleges hőt hasznosítják.
A tárolóközeg különböző energiájú termikus fotonokat bocsát ki. 1435°C hőmérsékleten a részecskék körülbelül 20-30%-a elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy villamos energiát állítson elő a tudósok által kifejlesztett termofotovoltaikus cellákban. A munka kulcsfontosságú eleme a félvezető anyag javítása volt, hogy hatékonyan tudja befogni a fotonokat azáltal, hogy kibővítette a kívánt fotonenergiák tartományát, és összhangba hozta őket a hőforrás által kibocsátott domináns energiákkal.
Azonban a hőforrás olyan fotonokat is kibocsát, amelyek energiája magasabb és alacsonyabb is lehet annál, amit a félvezető hatékonyan át tud alakítani villamos energiává. Gondos mérnöki tervezés nélkül ezek elvesznének.
Ennek megoldására a tudósok egy keskeny légréteget építettek be a termofotovoltaikus cellába, közvetlenül a félvezető után. Ezenkívül egy arany reflektort is elhelyeztek a légréteg külső részén, így létrehozva egy „légkötelet”.
Ez az üreg olyan fotonokat tartott vissza, amelyek megfelelő energiával rendelkeztek, lehetővé téve számukra, hogy belépjenek a félvezetőbe, míg a többi fotont visszaverték a hőtároló anyagba. Ez további lehetőséget biztosított arra, hogy az energia újra kibocsátásra kerüljön egy olyan foton formájában, amelyet a félvezető befoghatott.
A csapat az U-M Innovation Partnerships segítségével szabadalmi védelmet kért, és aktívan keres partnereket a találmány kereskedelmi hasznosításához.