آیا تبدیل گرما به انرژی الکتریسیته با بازدهی بالا ممکن است؟

مجله علمی ایلیاد - نود درصد انرژی برق مورد استفاده در دنیا از طریق منابع گرمایی مانند ذغال سنگ، گاز طبیعی و انرژی هسته‌ای و همچنین انرژی خورشیدی تامین می‌شود. برای یک قرن، توربین‌های بخار به عنوان استاندارد صنعتی برای تبدیل انرژی منابع گرمایی به برق در نظر گرفته می‌شدند. این توربین‌ها به‌طور متوسط ۳۵ درصد از انرژی منابع گرمایی را به برق تبدیل می‌کنند. با این حال تا به امروز ماشین‌های گرمایی دیگری نیز ساخته شده‌اند که بازدهی آن‌ها حدود ۶۰ درصد است. از آنجا که این ماشین‌ها دارای قطعات متحرک هستند، برای استفاده دارای محدودیت دمایی هستند.

منابع گرمایی که دمای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد دارند مانند سیستم باتری‌های گرمایی جدید، برای توربین‌ها بسیار داغ محسوب می‌شوند.

در سال‌های اخیر دانشمندان بر روی ماشین‌های گرمایی حالت جامد متمرکز شده‌اند که دارای قطعات متحرک نیستند و به همین دلیل می‌توانند با دماهای بالاتری کار کنند. یکی دیگر از مزایای ماشین‌های گرمایی حالت جامد این است که هزینه‌های تعمیر و نگهداری آن‌ها نیز کم است.

یکی از تکنولوژی‌هایی که می‌توان از آن‌ها برای رسیدن به ماشین‌های گرمایی حالت جامد رسید، «سلول‌های ترموفوتوولتائیک – TPV» است.  سلول‌های TPV را نیز مانند سلول‌های خورشیدی می‌توان از مواد نیمه‌رسانا ساخت. اگر یک فوتون با انرژی بالا توسط این مواد جذب شود، می‌تواند یک الکترون را از جای خود جابه‌جا کرده و تولید الکتریسیته کند و این تولید برق بدون حرکت موتور یا پره رخ می‌دهد.

تا به امروز اکثر سلول‌های TPV دارای بازدهی حدود ۲۰ درصد بوده‌اند و ماکزیمم بازدهی که از آن‌ها گرفته شده ۳۲ درصد بوده است. اکنون دانشمندان در تولید ماشین گرمایی جدید بر روی منابع انرژی با دماهای بالاتر تمرکز کرده‌اند و به این ترتیب، توانسته‌اند تبدیل انرژی را با بازدهی بالاتری انجام دهند.

محققین برای آزمایش کردن سلول تولیدی خود که از سه لایه‌ی ویژه ساخته شده است، آن‌را جلوی لامپ‌هایی با دمای بسیار بالا قرار داده‌اند و نور را به صورت متمرکز به آن تابانده‌اند. آن‌ها شدت نور لامپ را تغییر دادند تا تغییر بازدهی سلول را با دما نیز محاسبه کنند. نتایج به‌دست آمده نشان داده است که سلول ساخته شده، در دماهای بین ۱،۹۰۰ تا ۲،۴۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد به صورت ثابت دارای بازدهی حدود ۴۰ درصد خواهد بود. از آنجا که این بازدهی در بازه‌ی دمایی نسبتاً گسترده‌ای به‌دست می‌آید، می‌توان از این سلول به‌عنوان باتری‌ حرارتی پایدار استفاده کرد.

گزارش نحوه‌ی ساخت این سلول ترموفوتوولتائیک در مجله‌ی Nature چاپ شده است.