Janitza.cz

Janitza Electronics se zabývá vývojem a výrobou energeticky úsporných systémů. Je výrobcem digitálních měřidel, systémů SEMS, univerzálních multimetrů, regulátorů jalového výkonu, systémů pro řízení spotřeby, ¼ hodinového maxima a dalších přístrojů nejvyšší kvality.

KBH.cz

Společnost KBH vyrábí, dodává a instaluje komponenty pro kompenzaci jalového výkonu. Zákazníky jsou elektromontážní firmy, výrobci rozvaděčů, projektanti, velkoobchody a velkoodběratelé elektrické energie. Společnost nabízí kvalitní komponenty a služby za velice příznivé ceny.

13. června 2012, Autor: Redakce
NZEE

Termofotovoltaické systémy

Hlavním cílem termofotovoltaiky je dosažení vyšší účinnosti celého systému za využití běžně dostupných fotovoltaických článků při minimálních nákladech a využití záření jak ve viditelné, tak i v infračervené oblasti spektra. Klíčem k dosažení vyšší účinnosti systému je tzv. spektrální řízení, které může být zajištěno jednotlivými částmi termofotovoltaického systémy.


Úvod


Pro dosažení maximální účinnosti termofotovoltaického (TFV) systému musí být splněny dvě zásadní podmínky => minimální emise fotonů na FV článek s energií nižší, než je šířka zakázaného pásu fotovoltaického (FV) článku a maximální emise fotonů s energií vyšší či rovnou šířce zakázaného pásu FV článku.

Hlavními částmi TFV systému, které se podílejí na splnění těchto podmínek a tím také na vzrůstu účinnosti celého systému, jsou radiátor  (někdy  také  nazývaný  jako  absorbér  či emitor),  filtr  a  běžně  dostupný
FV článek.  Radiátor  i  filtr  může  mít  různá  provedení s odlišnými  vlastnostmi  i  použitými  materiály.  Stejně  tak  i  zdroj
záření/tepla  může  být různého provedení, což určuje oblast uplatnění takovéhoto systému.

U  TFV  systému  se  sledují  jednak  optické  parametry  -  absorpce,  odrazivost,  emise a propustnost použitých materiálů jednotlivých součástí systému, které se odvíjí jednak od úhlu dopadu záření a od samotných vlastností použitých materiálů. Velmi důležitou vlastností je výsledná účinnost systému, a také výkon celého systému, který velmi silně závisí na teplotě radiátoru. Neméně důležitá je životnost systému i jeho jednotlivých částí a samozřejmě cena.
  

TFV radiátor

 
Jedná se o velmi důležitou část TFV systému. Tento prvek má za úkol absorbovat co největší spektrum  záření  bez  toho,  aniž  by došlo  k jeho zpětnému  odrazu  a rozptýlení  do  okolí. Zároveň musí sloužit i jako emitor fotonů na FV článek, kde jsou tyto přeměněny na energii elektrickou.  V běžném  FV  článku  je  přeměněna  na  elektrickou  energii  pouze  malá  část dopadající energie a zbylá část je přeměněna na tepelné ztráty. Pokud by se na zadní straně FV článku využila reflexní vrstva, mohou být tyto fotony zpětně odraženy k radiátoru, který tímto zahřívají. Podobného principu můžeme docílit i zařazením filtru mezi radiátor a FV článek. Energie odražených fotonů může být využita při další emisi nebo může přispívat k udržení teploty radiátoru.
 
 
Obr. 1: Základní princip TFV. [2]
 
Základním rozdílem TFV oproti FV je schopnost využít fotony o energii E vyšší než je šířka zakázaného pásu Eg FV článku k přeměně na energii elektrickou, ale také využít fotony o energii nižší pro udržení potřebné teploty radiátoru (rekuperace). Při běžné FV přeměně by tato energie představovala tepelné ztráty. Z toho tedy vyplývá, že radiátor, proto aby správně fungoval, potřebuje  vysoké  teploty.  S tím  úzce  souvisí  také  šířka  spektra,  kterou  TFV využívá. Běžné FV systémy využívají pouze oblast viditelného spektra, kdežto TFV využívá i oblast infračervenou (IR), jejíž energie je běžně při absorpci přeměněna na ztrátové teplo, ale TFV toto teplo dokáže využít pro udržení požadované teploty radiátoru, čímž se efektivně využije širší spektrum záření včetně záření s nižší energií fotonů, čímž se zvyšuje účinnost celého systému. Jak je vidět na Obr. 2 a v Tab. 1, s rostoucí vlnovou délkou klesá energie fotonů i frekvence. Běžné systémy tyto energie nejsou schopny účinně využít.
 
 
Obr. 2: Spektrum záření. [1]
 
Ideálním radiátorem je dokonale černé těleso, které by mělo stálou teplotu a bylo by schopno absorbovat všechno dopadající záření nezávisle na úhlu dopadu s nulovým zpětným odrazem.
Zároveň by fungovalo jako dokonalý zářič a množství absorpce by bylo srovnatelné s emisí. Bohužel lidské oko má úzké spektrum reakce, čímž dochází ke klamu oka, takže to, co se nám zdá „absolutně“ černé, bohužel není. Proto existence dokonale černého tělesa je velmi nepravděpodobné. Ale existují materiály, které se některými vlastnostmi tomuto tělesu přibližují – černý uhlík, černá platina, černé zlato či karbid křemíku.
 
Tab. 1: Přehled záření a jejich parametrů.
 
  
Od reálných radiátorů se vyžaduje, aby emise fotonů o energii  E < Eg byla minimální, případně aby došlo k jejich zpětnému odrazu k radiátoru a zároveň aby docházelo k emisi fotonů o energii E > Eg, pro uplatnění FV přeměny. Reálné radiátory můžeme dělit do dvou základních provedení – šedý radiátor a selektivní radiátor.
 
 

Šedý vs. selektivní radiátor

 
Pro šedý radiátor je typická stejná spektrální emise pro všechny vlnové délky. Pro všechny druhy radiátorů je zapotřebí volit takové materiály, které mají vysoký bod tavení. Vhodnými materiály mohou být například platina (P), wolfram (W) či karbid křemíku (SiC). Ovšem jako jiné materiály, ani tyto nejsou dokonalé. Vyskytují se různé problémy např. u wolframu, je kladnou stránkou výborná emisivita požadovaných energií a malá pro velké vlnové délky, ale zároveň dochází k oxidaci materiálu mimo vákuum za působení vysokých teplot, stejně tak u karbidu křemíku, i přes to, že se vyznačuje dobrou emisivitou, což je zásadní pro radiátory, taktéž se u něj vyskytují problémy spojené s degradací na vzduchu za působení vysokých teplot. Dalšími problémy u materiálů vhodných pro šedé radiátory může být například pozvolné vypařování či zhoršená emise od určitých vlnových délek.
 
Stejně jako u předchozího typu i u selektivního radiátoru se vyžaduje vysoká emise fotonů o energii Eg a zanedbatelná emise E < Eg. Selektivní radiátor může mít dvě základní provedení a to v podobě plynné nebo pevné fáze. Plynná fáze, také nazývána plazmovým radiátorem, má oproti ostatním provedením radiátorů jednu zásadní nevýhodu. 

Tab. 2: Ukázka možných sloučenin s lanthanoidy (R), vhodných pro selektivní radiátory. [2]


 

Sloučeniny

 

Teplota tavení [°C]

 

Poznámka

 

R2O3

 

> 2 200

 

-

 

RxY3-xAl5O12

 

1 930

 

0 < x < 3

 

RxGd3-xGa5O12

 

1 750

 

0 < x < 3

 

RxMg1-xAl2O4

 

2 100

 

0 < x < 1

 

RxZr1-xO2

 

2 700

 

0 < x < 1

 

RxY2-xO3

 

2 400

 

0 < x < 2

 
 

Filtry pro TFV

 
Největšího spektrálního řízení pro dosažení vysoké účinnosti u TFV lze dosáhnout právě pomocí filtrů, umístěných mezi radiátorem a FV článkem. Proto, aby bylo dosaženo co nejvyšší účinnosti celého systému, musí splňovat základní podmínky – minimální absorpce záření, velká odrazivost fotonů o energiích E < Eg zpět k radiátoru a maximální propustnost pro fotony o energiích E > Eg. Vhodné filtry dělíme do následujících čtyř skupin => interferenční (úzkopásmové), plazmové, kombinované interferenčně-plazmové a maticové filtry.
 
Interferencí  filtry  se  vyznačují  velkou  propustností  v daném  rozsahu  spektra,  velkou odrazivostí pro nežádoucí vlnové délky, ale také má svá negativa a tím je zhoršená odrazivost pro velké vlnové délky. Ale i přes to je absorpce pro všechny vlnové délky prakticky zanedbatelná. Vhodnými materiály jsou dielektrika. Oproti tomu plazmové filtry mají sice velkou  odrazivost,  ale  velmi  významnou  absorpci  v propouštěném  spektru.  Jedná  se o materiály vodivé a polovodivé.
 
Nejlepší  variantou  je  tedy  kombinace  těchto  dvou  filtrů,  pro  dosažení  požadovaných vlastností obou filtrů a tím odstraňují nedostatků obou variant. Přičemž je potřeba, aby interferenční filtr byl zařazen před filtr plazmový.
 
Poslední   variantou   filtrů   je   filtr   maticový.   Jak   již   sám   název   napovídá,   jedná   se o skupinu malých otvorů, určených pro průchod požadovaných vlnových délek, přičemž velikosti a rozestupy otvorů jsou menší než vlnová délka. Tyto filtry mají velkou odrazivost. Vhodnými materiály jsou sloučeniny kovů.
 
Podle toho, jaký zdroj tepla TFV systém využívá, se dá rozdělit do tří skupin, od kterých se odvíjí i samotná oblast uplatnění:

Solární TFV systém

o   sluneční zdroj
o   běžné využití jako FV, ale s vyšší účinností

Nukleární TFV systém

o   založen na rozkladu radioisotopů
o   využití v hlubokém vesmíru, kde je solární záření příliš malé pro přeměnu
       

Systém řízeného spalování

o   využívá spalování plynů, tuhých paliv aj.o   využívá část tepla při spalování pro výrobu elektrické energie
o   severské státy bez el. energie (horské oblasti), armáda, hybridní vozidla
o   široké komerční využití
o   výroba tepla i elektrické energie
 
 

Závěr

 
V této práci bylo shrnuto, jakými způsoby se dá ovlivnit TFV přeměna při využití komerčně dostupných FV článků. Zaměřili jsme se především na stavbu celého TFV systému a vhodné materiály. Pokud by se do budoucna podařilo úspěšně aplikovat některé z možných provedení do skutečné praxe a provozu, dá se předpokládat, že zájem o tyto systémy bude opravdu velký, protože v porovnání s klasickými FV systémy má tento mnoho výhod. Velkým plus TFV systémů je fakt, že by mohly být aplikovány v rozmanitých oblastech uplatnění.

Lucie Šimonová
Ústav   elektrotechnologie,    FEKT   VUT   v Brně,    Technická 3058/10,    616 00   Brno,
Mohlo by Vás také zajímat:
Sdílet

Komentáře

Server CESKAENERGETIKA.cz
Česká Energetika s.r.o. a Česká energetická asociace provozují portál www.ceskaenergetika.cz, vydávají dva časopiy z oblasti energetiky a OZE, pořádají na tato témata semináře a konference pro laickou i odbornou veřejnost.
Důležité odkazy
Spolupracujeme
Najdete nás také na
Portál www.ceskaenergetika.cz © 2011 pohání redakční systém MultiCMS. Grafické zpracování Cossi Design.