Учёные из Массачусетского технологического института показали, что сочетание в одном устройстве выработки электричества и тепла позволяет получить хорошую эффективность преобразования энергии солнечных лучей при умеренной стоимости установки.

Авторы называют своё изобретение гибридной солнечной термоэлектрической системой (HSTE). В её основе лежит известный принцип работы солнечных коллекторов — труб, расположенных в фокусе параболических зеркальных желобов.

Однако принцип этот был существенно изменён. Вместо одной трубки с теплоносителем здесь под яркий свет подставляется матрёшка из трубок, вложенных одна в другую.

Рис. 1. Солнечные лучи от зеркала
(показаны жёлтым) нагревают набор
концентрических трубок (на врезке справа).
Самая внешняя защищает термопару от
окружающей среды. Прошедшее через
термоэлектрические преобразователи
тепло уходит вдоль трубки (красная
стрелка) туда, где его можно
утилизировать с пользой (иллюстрация
Nenad Miljkovic, Evelyn N. Wang).

Лучи нагревают горячую сторону термоэлектрической пары, вырабатывающей ток (набор таких контактов формирует основную трубу в наборе). А лишнее тепло, сбрасываемое с холодного спая термопары, уходит по внутренней трубке в сторону и может быть применено для обогрева воды в здании (горячее водоснабжение, отопление).

Ранее инженеры и учёные предлагали получать от солнечных лучей электроэнергию и тепло сразу за счёт разных комбинаций фотоэлектрических ячеек и машинных методов преобразования энергии (паровые турбины, стирлинги), но новаторы из Массачусетского технологического полагают, что

термоэлектрические пары – проще и, главное, гораздо дешевле.

И не беда, что КПД преобразования солнечного тепла в ток невысок. В новой системе основной продукцией будет всё же тепловая энергия, а электричество – дополнительной.

Ключевая деталь HSTE — термосифон, передаёт PhysOrg.com. Это самая внутренняя трубка в наборе. Она содержит жидкость, меняющую фазу, за счёт чего происходит пассивное (без применения насоса) перемещение тепловой энергии от участка с зеркальным жёлобом к той части трубы, где находится теплообменник-конденсатор.

Рис. 2. Авторы разработки — Эвелин Ван (Evelyn Wang) и Ненад Милькович (Nenad Miljkovic) – намерены в будущем построить более крупный образец системы и испытать его на каком-нибудь доме (фото Dominick Reuter).

Для проверки своей идеи разработчики HSTE использовали как компьютерное моделирование, так и небольшую лабораторную установку. Они пробовали на роль термоэлектрических материалов теллурид висмута, теллурида свинца, кремний и германий. А для стенок термосифона и рабочей жидкости внутри подбирались свои пары: медь-вода, нержавеющая сталь-ртуть, никель-калий.

Исследователи показали, что оптимизируя систему, её суммарную эффективность можно поднять до 52,6% при концентрации солнечных лучей в 100 раз и нижней температуре цикла в 776 К.

Детали работы можно найти в статье:

Nenad Miljkovic, Evelyn N. Wang Modeling and optimization of hybrid solar thermoelectric systems with thermosyphons.– Solar Energy. – V.85. – Issue 11. – November 2011. – Pages 2843–2855.