Blog met informatie over TPV - ThermoPhotoVoltaics: Directe energie vanuit warmtestraling

TPV: Opwekken van elektriciteit vanuit warmtestraling

Door japaveh op vrijdag 25 april 2008 22:12 - Reacties (9)
Categorie: TPV, Views: 15.665

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!