Thermophotovoltaische (TPV) Zellengeneratoren nutzen den photovoltaischen Effekt, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln und lassen sich nahtlos an verschiedene Wärmequellen wie Hochtemperatur-Abwärmeströme, fluktuierenden Strom aus erneuerbaren Energien, Brennstoffe und konzentrierte Solarthermieanlagen anschließen. Bei TPV wird die Strahlungsemission auf die kalte Seite der Photovoltaikzelle gerichtet, wodurch der Wärmetransfer zum thermischen Strahler erleichtert wird. Strategien wie das Reflektieren oder Unterdrücken niederenergetischer (außerhalb des Spektralbereichs liegender) Wärmestrahlung reduzieren den Wärmeeintrag, während die Absorption hochenergetischer (im Spektralbereich liegender) Photonen in der Zelle Elektron-Loch-Paare erzeugt.
Dieses Umwandlungsverfahren bietet eine geräuscharme Stromerzeugungsmöglichkeit in der Nähe des Verbrauchsortes und bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Generatoren und traditionellen Kraftwerkszyklen. Die innovative Technologie ermöglicht nicht nur die Nutzung von Abwärme, die bisher als Abfallprodukt galt, zur Raumheizung, sondern erleichtert auch die Warmwasserbereitung. Die bahnbrechende thermophotovoltaische Zelle, eine neuartige Solarzelle zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, hat das Potenzial, die Stromerzeugung durch höhere Effizienz und Umweltfreundlichkeit grundlegend zu verändern.
Welche Materialien werden in TPV-Zellen verwendet?
Zu den TPV-Zellen mit schmaler Bandlücke gehören Galliumantimonid (GaSb), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und verschiedene andere Materialien wie Germanium (Ge) und Indiumarsenid (InAs). Ebenfalls dazu zählen Indiumgalliumarsenid-Antimonid (InGaAsSb), Indiumarsenid-Antimonid-Phosphid (InAsSbP) und Indiumgalliumarsenid-Antimonid-Phosphid (InGaAsSbP).
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Wie funktionieren TPV-Zellen?
Im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen können Thermophotovoltaikanlagen (TPV) über längere Zeiträume bei niedrigerer Heizkörpertemperatur betrieben werden. Dieses System besteht aus vier wichtigen Komponenten:
- einen Generator, der durch Brennstoffverbrennung Wärmeenergie erzeugt,
- ein Heizkörper, der Wärmeenergie in eine Emissionsspektrum,
- ein Filter, der das Emissionsspektrum mit einer TPV-Zelle ausrichtet, und
- die TPV-Zelle wandelt Photonenstrahlung in elektrische Energie um.
Die Leistung jeder Komponente wurde eingehend analysiert, insbesondere die der TPV-Zelle – dem entscheidenden Element, das Photonenstrahlung direkt in Elektrizität umwandelt. Die TPV-Zelle funktioniert, indem sie Wärme absorbiert und in Licht umwandelt , welches anschließend in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Prozess ähnelt dem einer herkömmlichen Solarzelle, erweist sich jedoch als effizienter als herkömmliche Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in Elektrizität umwandeln. Die Effizienz einer thermophotovoltaischen Zelle hängt maßgeblich von der Temperatur der Wärmequelle ab; höhere Temperaturen führen zu einer höheren Effizienz.
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Wofür werden TPV-Zellen verwendet?
Thermophotovoltaische Zellen zeigen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:
1. Kraftwerke
Diese Zellen sind eine attraktive Option für die Stromerzeugung in Kraftwerken, da sie in der Lage sind, Elektrizität aus jeder Wärmequelle umzuwandeln.
2. Automobile
Thermophotovoltaische Zellen haben durch die Bereitstellung einer Energiequelle das Potenzial, die Effizienz und Umweltfreundlichkeit von Elektrofahrzeugen zu verbessern.
3. Raumfahrzeug
Die Anwendung umfasst Raumfahrzeuge, in denen thermophotovoltaische Zellen Strom erzeugen und so die Abhängigkeit von den Ressourcen der Erde verringern könnten.
4. Tragbare Elektronik
Thermophotovoltaische Zellen haben das Potenzial, tragbare elektronische Geräte wie Laptops und Mobiltelefone mit Strom zu versorgen.
5. Automobil- und Industriedichtungen
Anwendungsbeispiele sind Dichtungen für Kraftfahrzeuge und Rohrleitungen, insbesondere in Umgebungen, die Hitzebeständigkeit bis zu 120 °C erfordern. TPVs mit Shore-Härtewerten von 45A bis 45D eignen sich hervorragend für Anwendungen im Motorraum von Kraftfahrzeugen, die eine verbesserte Temperatur- und Ölbeständigkeit erfordern.
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