Знание-сила, 2000 № 11 (881)

Эта менее известная технология под названием термофотоэлектричество предпочтительна потому, что ее генераторы могут работать и ночью, и в пасмурные дни, устраняя таким образом необходимость в аккумуляторах. Кроме того, коэффициент полезного действия нового метода может быть заметно выше, чем у традиционных теплогенераторов, работающих на природном газе или ином топливе. Причем термофотоэлектричество не засоряет окружающую среду, работает абсолютно тихо и не требует особенного ухода – все это важные преимущества в наше грязное и шумное время.

Несмотря на такие козыри, новые устройства далеко не так распространены сегодня, как солнечные батареи, занимающие вполне достойное место на энергетическом рынке. Но ситуация может поменяться весьма стремительно.

Первые работы по теории термофотоэлектричества были проведены сорок лет назад Пьером Эграном из французской «Ecole Normal». В начале шестидесятых годов в американской военной лаборатории «Fort Monmut» получили первые экспериментальные результаты по преобразованию тепла в электричество. Правда, эффективность метода составляла тогда всего один процент, а чтобы надеяться на его промышленное воплощение, необходимо было довести ее до 10-15 процентов. Работы по улучшению метода активно велись в семидесятые и восьмидесятые годы, но только недавно был достигнут обнадеживающий результат благодаря применению совершенно новых материалов.

Термофотоэлектричество собирается выходить на коммерческую арену. Компания «Pacific Northwest» намечает выпустить генераторы для рыболовных судов.

В ближайших планах – разработка элемента питания для военных подразделений. Возможна эксплуатация таких устройств в автомобилях в качестве вспомогательного двигателя для обычного мотора внутреннего сгорания. В дальней перспективе – использование огромных ресурсов бесполезно теряемого тепла от производственных процессов.

При работе термофотоэлементов прежде всего необходим радиатор. Это устройство должно преобразовывать тепло в инфракрасное излучение нужной длины волны, поскольку применяемые полупроводники могут вырабатывать электричество только при облучении определенными длинами волн. Неиспользованное же поначалу тепло многократно возвращается в радиатор, чтобы еще и еще раз послужить выработке электроэнергии для повышения эффективности устройства.

В качестве «сжигателей» для производства тепла, как правило, используют промышленные сушилки бумаги, красок, чернил и сельскохозяйственного зерна, они могут создавать температуру до тысячи градусов Цельсия. Радиатор обычно делают из окислов редкоземельных элементов – таких, как иттербий, эрбий и гольмий. Когда энергичный фотон от нагревателя поглощается полупроводником рабочего элемента, электроны в полупроводнике переходят из валентной зоны в зону проводимости. Именно этот этап – ключевой в процессе, поэтому эффективность его очень сильно зависит от выбранного материала.

Первое поколение термофотоэлектронных устройств использовало радиаторы с испусканием узкого интервала длин волн. Но для того чтобы они работали эффективно, приходилось разогревать их до двух тысяч градусов, а такая жара уже вредна для материала. Кроме того, горение при таких безумных температурах идет с выделением очень вредных окислов азота.

Новые устройства сильно продвинулись в своем развитии, когда исследователи научились использовать радиаторы с широким спектром, например карбид кремния. Они с успехом работают при тысяче градусов. Полупроводники для этих радиаторов располагаются в третьей, четвертой и пятой колонках периодической системы, поэтому их называют «материалы III-V*.Среди них – антимонид галлия, арсенид индия и другие. Ширина валентной зоны у них небольшая, в два раза меньше, чем у кремния, поэтому их электроны легче перескакивают в зону проводимости, и так вырабатывается больше электричества.

Понятно, что ни одна система не может работать со стопроцентной эффективностью. Далеко не вся энергия от радиатора превращается в электричество, надо придумывать специальные устройства, чтобы уменьшить потери. Лучше всего работает отражающее зеркало с позолоченной поверхностью.

С 1994 года все заинтересованные в новой технологии лица стали собираться на международные конференции, чтобы обсудить проблемы и достижения. Их состоялось уже три, и активное участие в их организации и проведении принимают американский департамент энергии, министерство обороны и военные исследовательские организации. Лучшее достижение последних лет – выработка трех-четырех ватт мощности на квадратный сантиметр. Эту цифру можно увеличить раза в два, если организовать отвод электричества с нескольких точек, но это сделать сложнее.

Все исследовательские группы рассматривают теперь конструкции, когда много элементов, вырабатывающих электричество, соединено последовательно один за другим и работает вся цепочка. Более того, их стараются объединить в виде многослойной вафли.