Energia termofotovoltaica

O metoda relativ noua de producere a energiei electrice ce se bazeaza pe celule de

combustie care convertesc energia termica sau radiatiile infrarosii, produse prin arderea

gazelor naturale sau prin concentrarea energiei solare, in energie electrica. Elementul de baza

al noii metode este o celula solida de combustie cu oxizi (Solid Oxides Fuel Cell SOFC), iar

productia de energie se realizeaza prin conversia chimica a substantelor, si nu prin ardere.

Gazul natural desulfurizat, la o temperatura de 1000°C, este adus in proximitatea unor celule

termofotovoltaice formand astfel pile de combustie, in care moleculele se „rup“ si se separa in

hidrogen si oxid de carbon. Hidrogenul se uneste cu oxigenul din aer pentru a forma apa si

electroni ce genereaza curentul electric.Procesul de producere a energiei electrice este similar

cu inversul procesului de electroliza.

Dacă timp de multe decenii sistemele de captare concentrată a energiei solare au

presupus folosirea oglinzilor (fie câteva oglinzi parabolice/cilindrice, fie o mulţime de oglinzi

plane), cercetări recente derulate la Massachusetts Institute of Technology au pus la punct o

alternativă de optimizare radicală a sistemelor termofotovoltaice. Cercetătorii MIT şi-au

propus evitarea pierderilor termoelectrice prin intercalarea în dispozitiv a unui material cu

suprafeţe prelucrate microscopic în mod special.

Radiaţia termică de la soare pătrunde în dispozitiv prin orificiile de pe suprafaţă, iar razele

care tind să se reflecte înapoi sunt blocate, şi deci silite să rămână în material şi să-l

încălzească (cumva similar efectului de seră al Pământului, printr-o ironie climatico-

energetică a sorţii). De fapt, geometria riguroasă a orificiilor din material permite ca doar

razele având un anume unghi să iasă, în timp ce restul, marea majoritate, rămân şi încălzesc

interiorul.

Schiţa dispozitivului termofotovoltaic conceput de Peter Bermel

Suprafaţa colectorului solar propusă de dr. Peter Bermel concentrează termal lumina

solară prin „simplul” fapt că lumina este şi capturată dar şi re-reflectată înapoi în material.

Deşi este în esenţă o chestiune de cercetare fundamentală (constituind o interesantă deviere de

la teoria termodinamică a corpului negru), prototipul se dovedeşte uşor de extins, folosind

tehnologia standard de fabricare a semiconductoarelor intens integrate.

Prin această abordare – mixtură de optică şi microtehnologie – se estimează că dispozitivele

generatoare de energie pot ajunge uşor la eficienţe comparabile cu instalaţiile având gabarite

mult mai mari. De altfel, în timp ce eficienţa sistemelor solare actuale este de 15-20%,

materialul propus de MIT poate ajunge la 32-36%, astfel că – aplicat la scară largă – sistemul

constituie o alternativă competitivă la abordările convenţionale (fotovoltaice sau cu helio-

concentratori).

Structura internă

Capcana solară confecţionată în cadrul Laboratorului de cercetări în electronică al MIT

se compune dintr-o folie de tungsten (deci material termo-rezistent) având feţele prelucrare

diferit: suprafaţa dinspre Soare este constituită din orificii microscopice, iar cealaltă faţă –

dinspre celula solară fabricată din arsenură de galiu – este modelată într-o structură foarte

specializată, numită cristal fotonic, capabilă să emită selectiv radiaţie infra-roşie având

frecvenţa cea mai potrivită pentru absorţia de către celula de conversie. Ambele suprafeţe se

pot crea prin fotolitografie, deci similar cip-urilor de calculatoare.

Orificiul acela de la suprafaţă – având diametrul de trei sferturi de micron, adâncimea

de trei microni, şi fiind multiplicat regulat la o distanţă de patru cincimi dintr-un micron – este

cel care realizează capturarea fotonică. Când dispozitivul este orientat astfel încât orificiile

sale devin coliniare cu razele solare, cea mai mare parte a radiaţiei incidente ajunge la baza

orificiilor, unde este absorbită de tungsten. Aşa cum o impun legile termodinamicii, căldura

începe imediat să fie re-radiată. Însă mai toate razele de căldură vor întâlni la întoarcere

pereţii orificiului, ceea ce amplifică absorbţia, re-radierea şi, deci, încălzirea materialului.

Pentru a fi transformată în electricitate, această căldură este direcţionată către celula solară

prin cristalul fotonic. Acesta, graţiei structurii geometrice regulate gravate pe suprafaţa

inferioară a foliei de tungsten, amplifică emisiile infra-roşii (de anumite frecvenţe) şi le

suprimă pe celelalte. Aspectul cheie al dispozitivului constă în acordarea cristalului, prin

modificarea detaliilor structurii, astfel încât maximul energiei emise să aibă frecvenţa cea mai

eficient captată de celula InGaAS (ciocnirea de electroni în interiorul materialului creează

curent electric).

Celulele fotovoltaice convenţionale nu pot converti în electricitate întregul spectru al

luminii solare captate (ci doar maxim 33%, conform teoriei Shockley-Queisser). Dr. Peter

Bermel de la MIT crede că sistemul său termofotovoltaic cu selectivitate unghiulară poate

depăşi semnificativ limita Shockley-Queisser, deoarece energia este absorbită într-o gamă mai

largă de lungimi de undă, generând deci mai mulţi fotoni de energie înaltă implicaţi apoi în

generarea de electricitate.