Puslaidininkiniai prietaisai, verčiantys šiluminę spinduliuotę elektra, gali pasirodyti esą tinkamiausi atkampių kaimų apšvietimui ar netgi automobilių varikliams.
Fotovoltiniai prietaisai paprastai yra naudojami verčiant saulės šviesą elektra. Matomosios spektro dalies spinduliuotė, kaip visiems tai gerai žinoma, yra visur, ji nemokama ir neteršia aplinkos. Bet fotovoltiniai prietaisai gali paversti naudinga elektra ne tik matomą, bet ir infraraudonąją spinduliuotę, pavyzdžiui, tą, kurią spinduliuoja įkaitęs nafta maitinamas degiklis.
Ši mažai žinoma sritis, vadinama termofotovoltaika, tam tikrais atvejais gali duoti svarių privalumų. Termofotovoltinis generatorius dirbs ir naktį, ir tuomet, kai dangus yra apsiniaukęs, todėl jam nereikės jokio elektros energiją kaupiančio akumuliatoriaus. Ši technologija kartais yra priimtinesnė už standartinius elektros energijos generavimo, deginant skystąjį kurą, būdus. Jos efektyvumas kure sukauptos energijos procentas paverčiamas elektra gali būti žymiai didesnis negu gamtinėmis dujomis ar kitu iškasamu kuru maitinamo generatoriaus efektyvumą. Be to, puslaidininkinė termofotovoltinė sistema gali būti sukonstruota taip, kad jos sąlygojama aplinkos tarša būtų kuo mažesnė. Galiausiai, kadangi tokioje sistemoje nebus jokių judančių dalių, sistema veiks tyliai ir patikimai, nereikalaudama didesnės priežiūros.
Nepaisant visų šių privalumų, termofotovoltinė technologija dar negali pasigirti tokia sėkme, kokia lydi saulės fotovoltinius elementus, šiandien užimančius nedidelį specializuotą energijos rinkos sektorių. Bet šis skirtumas gali netrukus išnykti. Technologija, besiremianti tais pačiais moksli niais tyrimais, kurie davė pasauliui saulės elementus, stojasi ant kojų.
Termofotovoltinių prietaisų idėjos užuomazgas galima buvo rasti jau prieš 40 metų. Pierre R. Agrain iš Paryžiaus Ecole Normale Superieure 1956 m. skaitytų paskaitų cikle pirmasis apibrėžė kai kurias pagrindines koncepcijas. Septintojo dešimtmečio pradžioje JAV armijos tyrimų centre Fort Monmouthe buvo sukurtas pirmasis žinomas termofotovoltinio generatoriaus prototipas. Tačiau jo efektyvumas nesiekė 1 procento. Norint pagaminti generatorių, kurį galėtų naudoti veikianti armija, reikėjo 10-15 proc. dydžio efektyvumo.
Ir aštuntajame, ir devintajame dešimtmetyje tyrimai tęsėsi, dėl to pavyko kiek pagerinti generatorių parametrus. Bet ankstyvųjų sistemų komponentai taip ir nesugebėdavo perduoti pakankamai šilumos ten, kur infraraudonoji spinduliuotė buvo verčiama elektra. Neseniai atsirado naujos medžiagos, kurios leido iškart perkelti termofotovoltinius prietaisus iš mokslinių tyrimų į konstravimo darbų kategoriją.
Komercinis debiutas
Termofotovoltaika netrukus turėtų pasiekti komercinę rinką. Viena JAV šiaurės vakaruose įsikūrusi kompanija ruošiasi pardavinėti termofotovoltinius generatorius, maitinančius jachtų elektros įrangą. Tarp kitų kuriamų prietaisų paminėtinos mažos energijos jėgainės, skirtos atkampioms vietovėms arba kariniams daliniams. Ši technologija taip pat gali būti naudojama hibridiniuose elektromobiliuose, kuriuose elektros generatorius papildo vidaus degimo variklį. Galiausiai termofotovoltiniai prietaisai galėtų generuoti ir megavatines elektros galias, tuo papildydami energetikų arsenalą ir leisdami geriau panaudoti energetikoje ir daugelyje kitų pramonės procesų veltui dingstančią šilumą.
Prieš iš šiluminės spinduliuotės gaunant elektrą, reikia sukurti keletą funkcinių elementų. Šilumos šaltinį reikia sujungti su radiatoriumi, spinduliuojančiu infraraudonąją spinduliuotę pageidaujamame bangos ilgių diapazone. Po to yra reikalingas puslaidininkinis prietaisas, sudarytas iš daugelio vienas su kitu sujungtų elementų, gebąs šiuos pasirinktus bangos ilgius paversti elektra, kuri vėliau perduodama į grandinę, kurioje jai teks atlikti kokį nors naudingą darbą, pavyzdžiui, maitinti laive stovintį šaldytuvą. Galiausiai tam, kad termofotovoltinė sistema būtų tikrai efektyvi, reikia sugebėti vienąkart nepanaudotą energiją vėl nukreipti į radiatorių. Kitais atvejais ši likutinė energija yra naudojama kitiems tikslams, pavyzdžiui, kambarių šildymui.
1 pav. Generatorius (nuotrauka ir diagrama) susideda iš degiklio, kuris sujungia kurą ir orą gauti šilumai, ir infraraudonosios spinduliuotės radiatoriaus, apsupto termofotovoltinio konverterio celėmis su aušinimo plokštėmis. Užsidegus kurui, radiatorius įkaista iki 12500C ar daugiau. Po to 48 galio stibido celės, sujungtos nuosekliai, pakeičia radiatoriaus infraraudonosios spinduliuotės energiją elektros galia. Tuo pačiu metu dalis elektros srovės įjungia ventiliatorių, kurio pučiamas oras aušina termofotovoltines celes. Generatoriaus pagaminta perteklinė elektros galia perduodama į bateriją vėlesniam naudojimui. Esant optimaliai darbo temperatūrai, ši grandinė gali sukurti 30 V galią. Perteklinė šiluma gali būti panaudota patalpos šildymui.
Termofotovoltinių sistemų šilumos šaltiniais gali būti iškasamojo kuro degikliai, saulės šviesa, branduoliniai reaktoriai ir daug kitų. Praktiškai visos dabar kuriamos sistemos naudoja iškasamąjį kurą. Koncentratoriuose sukaupta saulės šviesa irgi gali būti naudojama termofotovoltiniuose generatoriuose,
bet kuriant kambario dydžio koncentratorius bei prietaisus, reikalingus energijos kaupimui nakčiai, dar nenueita toliau pirmųjų žingsnių. Daugelis ekspertų laikosi trečiosios alternatyvos branduolinės energijos, ne taip priimtinos vien dėl visuomenėje vyraujančios radioaktyvumo baimės. Taigi branduolinis variantas liktų tik labai specializuotiems taikymams, pavyzdžiui, nepilotuojamoms kosminėms stotims, skrisiančioms už saulės sistemos ribų, ten, kur saulės elementai bus beverčiai vien dėl to, kad ten jie nepasiekiami saulės šviesos.
Konstruodami šilumą gaminantį degiklį mokslininkai ėmė svarstyti, ar nepasinaudoti iš metalinio tinklo ar keramikos pagamintomis talpomis, pramonėje naudojamomis džiovinant popierių, rašalą, dažus ar grūdus. Jų paviršiaus plotas didelis, o pasiekiama temperatūra yra artima reikalingai (per 1000oC).