TPV: Opwekken van elektriciteit vanuit warmtestraling

Door japaveh op vrijdag 25 april 2008 22:12 - Reacties (9)
Categorie: TPV, Views: 15.809

Er staat op Tweakers.net regelmatig nieuws over zonnecellen. Aangezien er in onze huidge energieproblematiek steeds meer aandacht is voor alternatieve energie leek het me wel eens interessant om wat meer alternatieve vormen van fotovolatÔsche energieconversie voor te stellen. Vandaar deze blog.

Iedereen kent namelijk zonnecellen, een zeer elegante en simpele manier om energie op te wekken met behulp van zonlicht. Op dit moment is de PV wereld zeer sterk aan het groeien, iets wat natuurlijk een positieve ontwikkeling is. Naast de ontwikkeling van standaard zonnecellen wordt er natuurlijk ook nog veel onderzoek gedaan op alternatieve technieken op basis van het fotovoltaÔsch effect. Een van die technieken is TPV: Engels voor ThermoPhotoVoltaics.

Bij TPV wordt er geen gebruik gemaakt van zonlicht als bron voor fotonen. Men maakt gebruik van een warmtebron; dit kan bijvoorbeeld een brander uit een CV systeem zijn, maar ook een industriŽle oven waarbij de restwarmte gebruikt kan worden om elektriciteit op te wekken. Ook op off-grid locaties kan er met behulp van TPV uit brandstof zowel warmte als elektriciteit opgewekt worden. Een groot voordeel van TPV is dat er geen bewegende onderdelen nodig zijn en dat het systeem geruisloos kan werken.

Het basisprincipe van TPV staat hieronder schematisch weergegeven
http://tweakers.net/ext/f/9isuiLUgtUxOzYNU9blGmam5/full.jpg
(plaatje van de Universiteit van Kassel)

Van links naar rechts bestaat het systeem uit een warmtebron, welke een zogenaamde 'selectieve straler' opwarmt. Deze selectieve emitter zorgt ervoor dat het uitgezonden spectrum van de warmtebron dusdanig wordt aangepast dat de TPV cellen zoveel mogelijk kunnen absorberen. Hoe meer absorptie hoe hoger de systeem-efficientie en hoe lager de kost zal zijn. De fotonen die door deze selectieve straler worden uitgezonden vallen in op een TPV cel. Dit is in principe een standaard zonnecel maar dan gebaseerd op een ander type halfgeleider. Vanwege de relatief lage temperatuur van de warmtebron en dus de lagere energie van de invallende fotonen moet dit een halfgeleider zijn met een lage bandgap, enkele bruikbare halfgeleiders zijn bijvoorbeeld germanium (Ge) of gallium-antimonide (GaSb). In deze TPV cellen wordt dus rechtstreeks elektriciteit opgewekt.

De belangrijkste verschillen met standaard zonnecellen ontstaan doordat ten eerste de afstand tussen de bron in een TPV systeem natuurlijk veel kleiner is dan in een zonnecelsysteem maar ook is de temperatuur in een TPV systeem veel lager dan de temperatuur van de zon. Waar het oppervlak van de zon een temperatuur heeft van ongeveer 6000K werkt men in TPV systemen meestel met temperaturen van maximaal 1500K. Hierdoor is enerzijds de intensiteit van het spectrum veel hoger (tot 10 keer) maar ook ontstaat de piek van het spectrum bij een hogere golflengte. Dit volgt eenvoudigweg uit de verplaatsingswet van Wien Als vergelijking is hieronder een curve van het zonnespectrum (AM1.5, groene lijn) vergeleken met het spectrum van een typische selectieve emitter (Er2O3, rode lijn)

http://tweakers.net/ext/f/Ci6SsSgfsT55CsdRDhgza1En/full.jpg

In deze grafiek is het verschil duidelijk te zien. Deze verschillen hebben een grote impact op het design van de cel. Er moeten in de eerste plaats een goed (voorzijde)contact gemaakt worden om de hoge opgewekte stroom te kunnen afvoeren. Tevens moet de cel goed gekoeld worden, dit omdat een zonnecel erg slecht presteert bij hoge temperaturen. Deze vereisten maken ook dat er nog veel onderzoek gedaan moet worden om en zo efficiŽnt mogelijke TPV-cel te maken. Iets waar men dagelijks mee bezig is.

Tot zover deze eerst blog-entry, ik zal regelmatig diverse aspecten van TPV bespreken. Mochten er nog wensen bestaan voor zaken die nadere uitleg verdienen, de reacties staan open!

Volgende: Beau de Bulldog 12-'07 Beau de Bulldog

Reacties


Door PolyTweaker, zaterdag 26 april 2008 07:47

Is dit ook geschikt voor omzetting van restwarmte of is er een zodanig hoge temperatuur nodig dat dat niet gaat? In een oven wil je de warmte binnenhouden, als je daar energie mee op gaat wekken gaat de 'isolatie' van de oven achteruit.

Ik ben benieuwd wat de opbrengst per m2 en per euro is, in vergelijking met een zonnepaneel die gewoon op het dak ligt. Heeft dit systeem meer rendement dan een paneel met peltier (thermokoppel) elementen? Daarmee zijn proeven gehouden om energie uit asfalt te winnen.

Door Tweakers user japaveh, zaterdag 26 april 2008 09:40

Is dit ook geschikt voor omzetting van restwarmte of is er een zodanig hoge temperatuur nodig dat dat niet gaat? In een oven wil je de warmte binnenhouden, als je daar energie mee op gaat wekken gaat de 'isolatie' van de oven achteruit.
TPV werkt ongeveer vanaf temperaturen van 900C, hoe hoger de temperatuur hoe meer fotonen geabsorbeerd kunnen worden. Door gebruik te maken van de selectieve emitter kun je de hoeveelheid fotonen die geabsorbeerd kunnen worden nog wat verhogen. Het is natuurlijk wel van belang om de isolatie van de oven niet te verstoren. Vandaar dat je in HR CV ketels TPV kunt gebruiken om de ketel autonoom te kunnen laten draaien omdat er maar weinig extra energie beschikbaar is. Bij grote industriele systemen heb je meer verlies en kun je dus ook meer electriciteit opwekken. In autonome systemen brandt de vlam juist om electriciteit op te wekken.
Ik ben benieuwd wat de opbrengst per m2 en per euro is, in vergelijking met een zonnepaneel die gewoon op het dak ligt. Heeft dit systeem meer rendement dan een paneel met peltier (thermokoppel) elementen? Daarmee zijn proeven gehouden om energie uit asfalt te winnen.
In een systeem met germanium cellen met een systeemefficientie van 5% zou je uit kunnen komen op een kost per kWh van 6 eurocent. Door de systeemefficientie te verhogen of de kost van de cellen te verlagen kun je deze kost natuurlijk lager maken.

In vergelijking met het systeem op basis van het Seebeck (omgekeerd peltier) werkt TPV typisch met veel hogere tempaturen. Energieopwekking mbv Thermoelectriciteit wordt bijvoorbeeld ook gebruikt om energie op te wekken met het menselijk lichaam. Het verschil met de buitentemperatuur en de lichaamstemperatuur geeft een (zeer) klein vermogen. Seiko heeft horloges die hiermee werken.

[Reactie gewijzigd op zaterdag 26 april 2008 09:43]


Door Tweakers user RoeAntSte, zaterdag 26 april 2008 10:51

Is die beter dan bijv water laten verdampen, en weer laten afkoelen, of is dit nog minder efficient?

Ik snap dat het grote voordeel is dat er niks beweegt :)

Door Tweakers user RoeAntSte, zaterdag 26 april 2008 10:52

geen edit knop, dus voor de duidelijkheid: water door een dynamo laten gaan, zoals bij kolencentrales wel gebeurt.

Door Tweakers user japaveh, zaterdag 26 april 2008 20:29

Is die beter dan bijv water laten verdampen, en weer laten afkoelen, of is dit nog minder efficient?
Volgens een korte Google search is het rendement van een kolencentrale rond de 40 procent. Bij TPV zouden we kost-efficient kunnen werken met een systeem-efficientie van 10 procent. Je kunt TPV echter niet vergelijken met dat soort grote installaties. Het is meer een techniek die als een toevoeging kan werken in grote installaties of als zelfstandige energiebron maar dan meer op kleine schaal op locaties waar geen elektriciteit voor handen is.

Door Tweakers user mithras, zondag 27 april 2008 01:16

Wat is op dit moment een praktische, reŽle en duurzame oplossing voor het inzetten van een tpv? Het rendement is laag en er zijn duurzamere oplossingen te vinden.
Daarnaast is eigenlijk het voordeel van "geen bewegende onderdelen en geluidloos" (waarbij het eerste in wezen het tweede al impliceert) eigenlijk niet heel bijzonder, aangezien er op dit moment duurzamer oplossingen bestaan waarbij de bewegende onderdelen lang kunnen meegaan en het geluidsoverlast tot een minimum beperkt blijft.

Kijk bijvoorbeeld naar een warmtepomp, welke op dit moment al een rendement kan behalen van 300%! Uiteraard gaat een warmtepomp alleen over de thermovoorziening, maar andere oplossingen (zonnepanelen) kunnen in de elektrische voorziening ondersteunen.

Op dit moment scoort een tpv erg laag in prijs/kwaliteit, maar het heeft zeker wel enige potentie. Helaas staat de techniek nog zodanig in de kinderschoenen, dat het gebruik ervan nog niet rendabel is...

Door Tweakers user japaveh, zondag 27 april 2008 01:31

Wat is op dit moment een praktische, reŽle en duurzame oplossing voor het inzetten van een tpv?
Interessante vraag. Er is dus een toepassing op off-grid locaties waarbij het rendement niet direct de belangrijkste vereisten zijn. Het gaat daarbij vooral om de draagbaarheid en duurzaamheid. Je combineert dan ook warmte met het opwekken van electriciteit.

Een mogeljk reele toepassing is Solar TPV. Hierbij wordt het zonlicht ongeveer 5000 maal geconcentreerd waardoor een straler wordt opgewarmd. Door rond deze straler TPV cellen te plaatsen kan je ook direct electricteit opwekken.

Qua techniek is TPV even oud als PV, de eerste papers en ideeen komen uit de jaren 50, echter het ontbreekt nu nog altijd aan een goede en goedkope toepassing. Ikzelf bekijk TPV in principe vanuit het wetenschappelijk oogpunt in het kader van een promotieonderzoek, maar wel met een eventuele markt-toepassing in de toekomst.

Door Tweakers user Robinski, dinsdag 17 juni 2008 13:15

Het zou natuurlijk echt super zijn, als je met deze techniek elektriciteit centrales efficiŽnter kunt maken. Als een kolencentrale door middel van deze techniek van 40% naar zeg 45% kan scheelt dat natuurlijk wel enorm in de CO2 uitstoot ook.

Daarnaast het inbouwen van dit in HR ketels zorgt er weer voor dat deze ketels ook nog eens een klein beetje elektriciteit kunnen opwekken naast het produceren van warmte waar ze voor bedoeld zijn, wat ook weer meer efficiŽntie betekend.

Hopelijk is dit een techniek die in de toekomst gemakkelijk en redelijk goedkoop toe te passen is in dit soort settings.


Zijn er overigens nog andere mogelijke toepassings gebieden naast het efficiŽnter maken van industriŽle overs, centrales en HR-Ketels????

Door staelens kurt, vrijdag 14 juni 2013 20:06

dit is iets waar ik op een of andere manier ook aan denk
omdat het een algemeen geweten iets is dat een elektrische motor gekoeld moet worden om niet vast te lopen
daarom vraag ik mij af of er een mogelijkheid bestaat om een elektrische motor aan te drijven met zijn eigen warmte
om dan op deze manier een generator aan te drijven voor normale energie productie
waardoor we hier dan kunnen spreken van een warmte kracht centraaltje
in plaats van een waterkracht centrale

hierbij denk ik dan ook : indien dit klein genoeg kan gemaakt worden dat het in bepaalde gevalen zelfs "de enorm vervuilende " baterijen kan vervangen

m v g
kurt

Reageren is niet meer mogelijk