Кіріспе

Жылудан электр энергиясына фотондар арқылы тікелей түрлендіру процесі. Термофотоэлектрлік (ТФЭ) энергияны түрлендіру – жылуды фотондар арқылы тікелей электр энергиясына айналдыру процесі. Негізгі термофотоэлектрлік жүйе жылу сәулесін шығаратын қызған денеден және күн элементіне ұқсас, бірақ қызған дененің шығаратын спектріне қадаластырылған фотоэлектрлік жасушадан тұрады. ТФЭ жүйелері көбінесе күн батареяларына қарағанда төмен температурада жұмыс істейтіндіктен, олардың тиімділігі төмендеу болады. Бұл кемшілікті кремний емес материалдарға негізделген көп түйіспелі жасушаларды қолдану арқылы толықтыруға болады, бірақ бұл әдетте өте қымбат. Сондықтан қазіргі таңдағыда ТФЭ технологиясы ғарыш аппараттарын қуатпен қамтамасыз ету және бу турбиналары сияқты ірі жүйелерден қалдық жылуды жинау сияқты арнайы салаларда қолданылумен шектеледі.

PV

Типик фотовольтаикалық құрылғылар жұқа жартылай өткізгіш материалдың алдыңғы бетіне жақын p–n торабын құру арқылы жұмыс істейді. Материалдың тыйым салынған энергиясынан жоғары энергиялы фотондар төменгі қабаттағы атомдарға түскенде, тораптан төмен, электрон фотоқоздырылып, атомнан босатылады. Торап электр өрісін жасайды, ол электронды жасуша ішінде алға жылдамдатады, осылайша ол тораптан өтіп, бетте орналасқан жұқа электродтарға еркін қозғалуға мүмкіндік алады. Сымды алдыңғы жағынан артқы жағына қосу электронға қайта ағып, тізбекті аяқтауға мүмкіндік береді. Тыйым салынған энергиядан аз энергиясы бар фотондар электрондарды шығармайды. Тыйым салынған энергиядан жоғары энергиясы бар фотондар жоғары энергиялы электрондарды шығарады, олар материал ішінде жылуланып, артық энергиясын жылу түрінде жоғалтады. Егер жасушаның тыйым салынған энергиясы жоғарылатын болса, шығарылған электрондар торапқа жеткенде жоғары энергияға ие болады, демек, жоғары кернеу пайда болады, бірақ бұл шығарылған электрондардың санын азайтады, себебі көбірек фотондар тыйым салынған энергиядан төмен болады, соның салдарынан ток төмендейді. Электр қуаты кернеу мен ток көбейтіндісі болғандықтан, жалғыз шығыс максималды болатын оптималды нүкте бар. Құрлықтағы күн радиациясы әдетте Ауа массасы 1.5, немесе AM1.5 стандартымен сипатталады. Бұл 5780 К температурада бір шаршы метрге 1000 Вт энергияға жуық. Бұл температурада бетке жететін энергияның шамамен жартысы инфрақызыл сәуледен тұрады. Осы температураға сүйенсек, энергия өндірісі тыйым салынған энергия 1.4 эВ шамасында, инфрақызыл сәуледе болғанда максималды болады. Бұл кремнийге қоспалар қосылғанда пайда болатын 1.1 эВ тыйым салынған энергияға өте жақын, сондықтан күн энергиясын өндіру арзан.

ТПВ

Фотоэмиссияның дәл осы процесін кез келген спектрден электр энергиясын өндіру үшін пайдалануға болады, бірақ кез келген ыстық объект үшін қажеттідей дәл жолақтық аралыққа ие жартылай өткізгіш материалдардың саны шектеулі. Оның орнына, жолақтық аралығын реттеуге болатын жартылай өткізгіштер қажет. Күн сәулесі сияқты жылу шығысын өндіру де қиын; оксиацетилен оттығы шамамен 3400 К (~3126 °C), ал көмір және табиғи газ сияқты кең таралған коммерциялық жылу көздері 900 °C-тан 1300 °C-қа дейін әлдеқайда төмен температурада жанады. Бұл қолайлы материалдарды одан әрі шектейді. ТПВ саласындағы зерттеулердің көп бөлігі галлий антимонидіне (GaSb) бағытталған, бірақ германий (Ge) де қолдануға жарамды. Төмен температуралы көздердің тағы бір мәселесі – олардың энергиясы Виеннің ығысу заңына сәйкес көбірек таралады. Практикалық күн батареясын спектрдің ең жоғарғы нүктесіне реттелген бір жолақтық аралықпен жасап, инфрақызыл аймақтағы жоғалтуларды елемеуге болады, бірақ төмен температуралы көзбен осылай жасау потенциалды энергияның көп бөлігін жоғалтады және өте төмен жалпы тиімділікке әкеледі. Сондықтан TPV жүйелері екі таңбалы тиімділікке жету үшін көбінесе көп түйіспелі жасушаларды қолданады. Қазіргі зерттеулер жүйе тиімділігін арттыруға және жүйе құнын төмен ұстауға бағытталған, бірақ тіпті олардың да рөлі көп түйіспелі күн батареяларына ұқсас тар салаларда сақталады.

Нақты жобалар

ТПВ жүйелері әдетте жылу көзі, эмитер және қалдық жылуды тарату жүйесінен тұрады. ТПВ жасушалары эмитердің (көбінесе металл блогы немесе осыған ұқсас) және салқындату жүйесінің (көбінесе пассивті радиатор) арасына орналастырылады. Фотоэлектрлік жүйелер температураның көтерілуімен тиімділігі төмендейді, ал ТПВ жүйелерінде фотоэлектрлік элементтерді салқын ұстау маңызды мәселе болып табылады. Бұл фотодиод жылу қозғалтқышының ыстық жағында орналасқан «терморадиациялық» немесе «теріс эмиссиялық» жасушалар сияқты байланысты болғанмен, кері ұғымға қарама-қарсы келеді. Сондай-ақ, терморадиациялық құрылғыны TPV жүйесінде эмитер ретінде пайдалану ұсынылған, бұл теориялық тұрғыдан ыстық және суық фотодиодтардың екеуінен де қуат алуға мүмкіндік береді.

ҒТК

Ғарыш кемелерін қуаттандыруға қолданылатын дәстүрлі радиоизотоптық термоэлектрлік генераторлар (RTG) радиоактивті материалды пайдаланады, оның сәулеленуі материалдың блогын қыздыруға, ал содан кейін терможұпты пайдаланып электр энергиясына айналдыруға қолданылады. Терможұптар өте тиімсіз, оларды TPV-мен алмастыру тиімділіктің айтарлықтай жоғарылауына мүмкіндік береді, демек, кез келген миссия үшін кішірек және жеңіл RTG қажет болады. Emcore (көп қималы күн элементтерін өндіруші), Creare, Oak Ridge және NASA-ның Glenn Research Center ұйымдарымен жасалған тәжірибелік жүйелер 15-20% тиімділік көрсетті. Хьюстон университеті ұқсас концепцияны жасады, ол 30% тиімділікке жетіп, қазіргі жүйелерге қарағанда 3-4 есе жақсарды.

Термоэлектрлік сақтау

Тағы бір белсенді зерттеу саласы – TPV-ны жылу сақтау жүйесінің негізі ретінде пайдалану. Бұл тұжырымдамада, ең төмен сұраныс кезінде өндірілген электр энергиясы көміртек немесе фазалық өзгеріске ұшырайтын материалдың үлкен блогын қыздыру үшін қолданылады. Бұл материал TPV жасушаларымен қоршалған, ал жасушалардың артында рефлектор мен жылу оқшаулағыш орналасқан. Сақтау кезінде TPV жасушалары өшіріледі және фотондар олар арқылы өтіп, жоғары температуралы көзден кері шағылысады. Қуат қажет болғанда, TPV жүктемеге қосылады.

Қалдық жылуды жинау

ТПВ жасушалары басқа қуат өндіру жүйелерінде, мысалы, бу турбиналық жүйелерде немесе күн жасушаларында әйтпесе жоғалып кететін жылуды пайдалануға арналған қосалқы қуат түрлендіру құрылғылары ретінде ұсынылған.

Тарих

Генри Колм 1956 жылы MIT-де TPV жүйесінің қарапайым үлгісін құрастырды. Дегенмен, Пьер Айгрейн 1960-1961 жылдары MIT-де оқыған лекцияларының негізінде TPV-нің ойлап табушысы ретінде кеңінен танымал, оның жүйесі Колмның жүйесінен өзгеше, зерттеулер мен әзірлемелерге жол ашты. 1980 жылдары тиімділік шамамен 30%-қа жетті. 1997 жылы "Викинг 29" (TPV) атты прототиптік гибридтік автомобиль жасалды, оны Батыс Вашингтон университетінің Көлік зерттеу институты (VRI) жобалап, құрастырды. 2022 жылы MIT/NREL 41% тиімділікке ие құрылғыны ұсынды. Абсорберде ультракүлгін, көрінетін және инфрақызыл фотондарды сіңіруге бағытталған бірнеше III V жартылай өткізгіш қабаттары қолданылды. Алтынды рефлектор сіңбеген фотондарды қайта пайдаланды. Құрылғы 2400 °C температурада жұмыс істейді, осы температурада вольфрамды сәуле шығарушы ең жоғары жарықтыққа жетеді. Бұл – жылу энергиясының электр энергиясына айналу тиімділігі. Толық TPV жүйелерінде жылу көзін ескере отырып, жалпы тиімділік төмен болуы мүмкін. Мысалы, отынға негізделген TPV жүйелері отын энергиясынан электр энергиясына айналу тиімділігін көрсетеді, мұндай жағдайда 5% тиімділік "әлемдік рекорд" деңгейі саналады. Шын дүниедегі тиімділік жылу жоғалтулары, электр энергиясын түрлендіру тиімділігі (TPV кернеуі көбінесе өте төмен болады) және фотоэлементтің активті салқындауына байланысты жоғалтулар сияқты факторлардың әсерінен төмендейді.

Эмитенттер

Толық сіңіруден және идеалды қара дене мінез-құлқынан ауытқулар жарық жоғалтуға алып келеді. Таңдамалы сәуле шығарушылар үшін, фотоэлектрлік құрылғының тыйым салынған аймақ энергиясына сәйкес келмейтін толқын ұзындығындағы кез келген сәуле тиімді түрде түрлендірілмейді, бұл тиімділікті төмендетеді. Атап айтқанда, фонон резонанстарымен байланысты сәуле шығаруларды терең инфрақызыл толқын ұзындығында болдырмау қиын, оларды іс жүзінде түрлендіру мүмкін емес. Идеалды сәуле шығарушы тыйым салынған аймақ энергиясынан басқа толқын ұзындығында жарық шығармайды, ал ТПВ зерттеулерінің көп бөлігі осы тар сәуле шығару спектріне жақынрақ эмитерлерді жасауға бағытталған.

Сүзгілер

Қара денелік немесе толық емес таңдамалы сәуле шығарушылар үшін сүзгілер идеалды емес толқын ұзындықтарын сәуле шығарушыға қайтарады. Бұл сүзгілер толық емес. Сіңірілген немесе шашыратылған және сәуле шығарушыға немесе түрлендіргішке қайта бағытталмаған кез келген жарық, әдетте жылу ретінде жоғалады. Керісінше, қолданыстағы сүзгілер көбінесе қажетті толқын ұзындығы диапазонындағы жарықтың шағын бөлігін қайтарады. Екеуі де тиімсіздікке алып келеді. Фотоэлектрлік құрылғының оптималды емес толқын ұзындықтарын сіңіруі де тиімсіздікке себеп болады және оны қыздырып, тиімділігін төмендетеді.

Конвертерлер

Тіпті фотоэлектрлік түрлендіргішке тек оптималды толқын ұзындығындағы жарық жіберілген жүйелерде де, радиациялық емес рекомбинациямен және Омдық жоғалтулармен байланысты тиімсіздіктер кездеседі. Сонымен қатар, фотоэлектрлік бетіндегі Френельдік шағылыстардан, жасуша арқылы сіңірілмей өтетін оптималды толқын ұзындығындағы жарықтан және жоғары энергиялы фотондар мен тығыздық энергиясы арасындағы айырмашылықтан (бұл күн энергиясын пайдаланатын фотоэлектрлік құрылғылармен салыстырғанда аз маңыздырақ болса да) шығындар туындайды. Радиациялық емес рекомбинациядан болатын жоғалтулар жарық интенсивтігі жоғарылағанда төмендейді, бірақ температураның өсуімен артады, сондықтан нақты жүйелер берілген конструкция мен жұмыс температурасының нәтижесінде туындайтын интенсивтілікті ескеруі қажет.

Геометрия

Идеалды жүйеде сәуле шығарушы конвертерлермен қоршалған, сондықтан жарық жоғалмайды. Бірақ шындығында геометрия эмитентті қыздыруға қолданылатын кіріс энергиясын (жанармай инъекциясы немесе кіріс жарығы) қабылдауға бейімделуі керек. Сонымен қатар, шығындар салдарынан сүзгіні конвертерлермен қоршау мүмкін болмайды. Эмитент жарық шығарғанда, конвертерлерге жетпейтін жарық жоғалады. Жарықтың бір бөлігін эмитентке қайта бағыттау үшін айналарды қолдануға болады, бірақ айналардың өзі де жарық жоғалтуы мүмкін.

Эмитенттер

Тиімділік, температураға төзімділік және баға – TPV эмиттерін таңдаудағы үш маңызды фактор. Тиімділік кіріс сәулесіне қатысты жұтылған энергиямен анықталады. Жоғары температурада жұмыс істеу өте маңызды, себебі тиімділік жұмыс температурасының артуымен бірге өседі. Эмиттер температурасы жоғарылағанда, қара дене сәулесі қысқа толқынды ұзындықтарға қарай жылжиды, бұл фотоэлектрлік жасушалардың тиімдірек сіңіруіне жағдай жасайды.

Поликристалл кремний карбиді

Поликристалды кремний карбиді (SiC) – жану құрылғыларының ТПВ-і үшін ең көп қолданылатын эмитер. SiC шамамен 1700 °C температураға дейін жылу тұрақтылығын сақтайды. Дегенмен, SiC энергиясының көп бөлігін ұзын толқынды спектрде сәулелендіреді, бұл тіпті ең тар жолақты фотоэлектрлік элементтен де төмен энергияға ие. Мұндай сәулелену электр энергиясына айналмайды. Алайда, фотоэлектрлік элементтің алдына орналастырылған жұтпайтын селективті сүзгілер немесе фотоэлектрлік элементтің артқы жағына жабыстырылған айналар ұзын толқындарды эмитерге қайта бағыттап, пайдаланылмаған энергияны қайта қолдануға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, поликристалды SiC төмен бағалы.

Вольфрам

Вольфрам – селективті сәуле шығарушы ретінде қолданылатын ең көп таралған отқа төзімді металл. Оның көрінетін және жақын ИҚ диапазонында 0,45-тен 0,47-ге дейінгі жоғары эмиссиялық қасиеті және ИҚ аймағында 0,1-ден 0,2-ге дейінгі төмен эмиссиялық қасиеті бар. Сәуле шығарушы әдетте жабық түбі бар цилиндр пішіндес болады, оны қуыс деп санауға болады. Сәуле шығарушы, мысалы, SiC сияқты жылуды сіңіретін элементтің арт жағына бекітіледі және бірдей температураны сақтайды. Сәуле шығару көрінетін және жақын ИҚ диапазонында жүзеге асады, оны фотоэлектрлік элементтер электр энергиясына оңай түрлендіре алады. Дегенмен, басқа металдармен салыстырғанда, вольфрам тезірек тотығады.

Сирек кездесетін жерлер оксидтері

Сирек кездесетін топырақ оксидтері, мысалы, итербий оксиді (Yb2O3) және эрбий оксиді (Er2O3) – ең көп қолданылатын селективті эмитерлер. Бұл оксидтер жақын инфрақызыл аймақта толқын ұзындығының тар жолағын шығарады, эмиссия спектрлерін нақты бір фотовольтаикалық материалдың сіңіру қасиеттеріне жақсырақ сәйкес келуге мүмкіндік береді. Эмиссия спектрінің ең жоғарғы нүктесі Yb2O3 үшін 1,29 eV, ал Er2O3 үшін 0,827 eV құрайды. Осының салдарынан, Yb2O3 кремнийлік элементтер үшін, ал Er2O3 – GaSb немесе InGaAs үшін селективті эмитер ретінде қолданылуы мүмкін. Дегенмен, эмиссия шыңдары мен сіңіргіштің энергиялық саңылауы арасындағы шағын айырмашылық тиімділікке елеулі зиян келтіреді. Селективті эмиссия 1100 °C температурасында ғана маңызды бола бастайды және температураның артуымен бірге күшейеді. 1700 °C-тан төмен температурада сирек кездесетін топырақ оксидтерінің селективті эмиссиясы өте төмен, бұл тиімділікті одан әрі азайтады. Қазіргі уақытта Yb2O3 және кремнийлік фотоэлементтермен 13% тиімділікке қол жеткізілді. Жалпы алғанда, селективті эмитерлердің жетістіктері шектеулі. Көбінесе, фотовольтаикалық материалдың энергиялық саңылауына сәйкес толқын ұзындықтарын өткізіп, сәйкес келмейтін толқын ұзындықтарын эмитерге қайтару үшін қара дене эмитерлерімен бірге сүзгілер қолданылады.

Фотоникалық кристалдар

Фотоникалық кристалдар электромагниттік толқындардың қасиеттерін дәл бақылауға мүмкіндік береді. Бұл материалдар фотондық жолақтың ажырымын (ФЖЖ) тудырады. ФЖЖ спектрлік диапазонында электромагниттік толқындар таралуы мүмкін емес. Осы материалдарды жасау олардың сәуле шығару және сіңіру қасиеттерін қажетті деңгейде өзгертуге мүмкіндік береді, соның арқасында эмитерлерді тиімді жобалауға болады. Қара дененің шығынан жоғары энергиядағы шыңдары бар (практикалық ТПВ температуралары үшін) селективті эмитерлер кең жолақты түрлендіргіштерді пайдалануға мүмкіндік береді. Мұндай түрлендіргіштерді өндіру әдетте арзан және температураға аз сезімтал. Sandia Labs зерттеушілері вольфрам фотондық кристалдарды қолдана отырып жасалған TPV эмитерлерінің негізінде жоғары тиімділікке (шығарылған жарықтың 34% электр энергиясына айналады) қол жеткізілетінін болжады. Дегенмен, осы құрылғыларды өндіру қиын және коммерциялық тұрғыдан тиімді емес.

Кремний

ТПВ-ның алғашқы жұмыстары кремнийді пайдалануға бағытталған. Кремнийдің коммерциялық қолжетімділігі, төмен құны, масштабталу мүмкіндігі және өндірістің қарапайымдығы осы материалды тартымды кандидат етеді. Дегенмен, Si-дің салыстырмалы түрде кең энергиялық аралығы (1.1эВ) төмен температурадағы қара дене сәуле шығарушымен (эмиттермен) пайдалануға тиімді емес. Есептеулер көрсеткендей, Si фотоэлементтері тек 2000 К-ден жоғары температурада ғана қолданылуы мүмкін. Бұл температурада жұмыс істей алатын эмитер әзірленбеген. Осы инженерлік қиындықтар салдарынан төмен энергиялық аралыққа ие жартылай өткізгіш фотоэлементтерді іздеуге көшілді. Кремний фотоэлементтерін селективті сәуле шығарушылармен (радиаторлармен) пайдалану мүмкіндігі әлі де бар. Селективті радиаторлар жоғары және төмен энергиялы фотондарды сүзу арқылы жылудың пайда болуын азайтады. Идеалды жағдайда, селективті радиаторлар фотоэлектрлік түрлендіргіштің энергиялық аралығынан тыс сәуле шығармауы керек, бұл түрлендіру тиімділігін едәуір арттырады. Si фотоэлементтерін қолдану арқылы тиімді ТПВ құрылғылары жасалмаған.

Германиум

Шағын жолақты жартылай өткізгіштерді зерттеудің алғашқы кезеңдері германийге (Ge) бағытталған. Ge-нің 0,66 эВ жолақты аралығы бар, бұл кіріс сәулеленудің үлкен бөлігін түрлендіруге мүмкіндік береді. Дегенмен, Ge-нің жоғары тиімді электрон массасы салдарынан оның жұмысы нашар болды. III-V жартылай өткізгіштермен салыстырғанда, Ge-нің жоғары электрон массасы өткізгіштік жолағындағы күйлердің жоғары тығыздығына және, демек, ішкі тасымалдаушылардың жоғары концентрациясына алып келеді. Осының салдарынан, Ge диодтарында "қара" токтың жылдам төмендеуі байқалады, сондықтан ашық тізбектегі кернеуі төмен болады. Сонымен қатар, германийдің бетін пассивтеу қиындық тудырды.

Галлий антимониді

1989 жылы ойлап табылған галлий антимонидті (GaSb) фотоэлементі – қазіргі заманғы TPV жүйелеріндегі көптеген фотоэлементтердің негізі болып табылады. GaSb – мырыш-қоспалы кристалдық құрылымы бар III-V жартылай өткізгіш. GaSb фотоэлементінің 0,72 ЭВ-қа тең тар энергиялық саңылауының арқасында маңызды жетістікке қол жеткізілді. Бұл GaSb-ге кремнийлік күн элементтеріне қарағанда ұзын толқынды жарыққа сезінуге мүмкіндік береді, соның нәтижесінде жасанды сәулелендіру көздерімен бірге қолданылғанда жоғары қуат тығыздығына қол жеткізіледі. GaAs және GaSb екі қабатты фотоэлементін пайдалану арқылы 35% тиімділікке ие күн элементі жасалды. Бұл конфигурацияда GaSb фотоэлементінің радиациялық тиімділік шегі 52% құрайды.

Индиум галлий арсениді антимониді

Индиум галлий арсениді антимониді (InGaAsSb) – III-V жартылай өткізгіштің қосылыс түрі. (InxGa1−xAsySb1−y) GaAs қосылуы арқасында тар жолақтық аралық (0,5-тен 0,6 ЭВ-қа дейін) қамтамасыз етіледі, демек, ұзын толқынды ұзындықтарды жақсы сіңіреді. Атап айтқанда, жолақтық аралық 0,55 ЭВ-қа дейін реттелген. Осы жолақтық аралықпен қосылыс 1100 °C температурадағы қара дене үшін 79% фотондық салмақталған ішкі кванттық тиімділікке және 65% толу коэффициентіне қол жеткізді. Бұл GaSb субстратында органометалл бу фазалық эпитаксия (OMVPE) әдісімен өсірілген құрылғы үшін. Құрылғылар молекулалық сәуле эпитаксиясы (MBE) және сұйық фазалық эпитаксия (LPE) әдістерімен де өсірілді. Бұл құрылғылардың ішкі кванттық тиімділігі (IQE) 90% шамасына жетеді, ал қалған екі әдіспен өсірілген құрылғылар 95% асып түседі. InGaAsSb жасушаларының ең үлкен мәселесі – фазалық бөліну. Құрылғының құрамындағы тұрақсыздықтар оның жұмысын нашарлатады. Егер фазалық бөлінуден аулақ бола алса, InGaAsSb IQE және толу коэффициенті жолақтық энергияға жақын толқын ұзындығы диапазондарында теориялық шектерге жақындайды. Дегенмен, ашық тізбек кернеуінің (Voc) жолақтық аралыққа (Eg) қатынасы идеалды көрсеткіштен қашық. Бірақ, жоғары толқынды ұзындығы бар фотондарды сіңіру үшін In мен Ga арақатынасын өзгерту арқылы жолақтық аралықты реттеуге болады. Бұл жүйе үшін жолақтық аралық шамамен 0,4-тен 1,4 ЭВ-қа дейін өзгереді. Алайда, бұл әртүрлі құрылымдар InP субстратымен кернеу тудырады. Бұл мәселені әртүрлі құрамдағы InGaAs қабаттарын біртіндеп өзгерту арқылы шешуге болады. Осылайша, 68% кванттық тиімділікке және 68% толу коэффициентіне ие құрылғы жасалды, ол MBE әдісімен өсірілді. Бұл IV-VI жартылай өткізгіш материалдардың жолақтық аралықтары 0,3-тен 0,6 ЭВ-қа дейін болуы мүмкін. Олардың симметриялық жолақтық құрылымы және валенттік жолақтың дегенерациясының болмауы төмен Аугер рекомбинация жылдамдықтарына әкеледі, бұл көрсеткіш салыстырмалы жолақтық аралыққа ие III-V жартылай өткізгіш материалдарына қарағанда әдетте бірнеше есе кіші болады.

Қолданбалар

ТПВ-лер әскери және коммерциялық қолданыстар үшін тиімді және экономикалық тұрғыдан пайдалы қуат жүйелерін ұсынады. Дәстүрлі жаңартылмайтын энергия көздерімен салыстырғанда, жанар ТПВ-лер аз мөлшерде NOx шығарады және дерлік дыбыссыз жұмыс істейді. Күн энергиясын пайдаланатын ТПВ-лер шығарындысыз жаңартылатын энергияның көзі болып табылады. ТПВ-лер сіңірілмеген фотондарды қайта пайдалану арқасында фотоэлектрлік жүйелерге қарағанда тиімдірек болуы мүмкін. Дегенмен, әр энергия түрлендіру кезеңіндегі жоғалтулар тиімділікті төмендетеді. ТПВ-лер жанар көзбен қолданылғанда, қажетті сәтте энергия береді. Осының салдарынан, энергияны сақтау қажеттілігі тумауы мүмкін. Бұған қоса, фотоэлектрлік элементтің сәулелену көзіне жақын орналасуының арқасында ТПВ-лер дәстүрлі фотоэлектрлік элементтерге қарағанда 300 есе артық ток тығыздығын тудыра алады.

Адамның тасымалданатын қуат көзі

Жауынгерлік қимылдарға портативті қуат көзі қажет. Дәстүрлі дизель генераторлары дала жағдайында қолдануға тым ауыр. Масштабиру мүмкіндігі TPV-ны дәстүрлі генераторлардан кішірек және жеңіл етуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, TPV аз шығарындымен жұмыс істейді және шусыз. Көп түрлі отынмен жұмыс істеуі де бір артықшылық. 1970 жылдардағы зерттеулер фотовольтаикалық шектеулерге байланысты сәтсіз аяқталды. Бірақ, GaSb фотоэлементтері 1990 жылдары қайта зерттеулерге бастап, нәтижелерді жақсартты. 2001 жылдың басында JX Crystals компаниясы АҚШ армиясы үшін 230 Вт қуатты пропанмен қамтамасыз ететін TPV негізіндегі батарея зарядтағышын жеткізді. Бұл прототипте 1250 °C температурада жұмыс істейтін SiC эмитері және GaSb фотоэлементтері қолданылды, ал биіктігі шамамен 0,5 метрді құрады. Қуат көзінің тиімділігі 2,5% болды, бұл генерирленген қуаттың жанатын отынның жылу энергиясына қатынасы ретінде есептелді. Бұл жауынгерлік қимылдарда пайдалану үшін тым төмен көрсеткіш. Әзірге, портативті TPV қуат көздері әскерлермен сынақтан өткен жоқ.

Желідегі сақтау

Бос энергияны жоғары көлемді, ұзақ мерзімді сақтау үшін жылуға түрлендіру әртүрлі компанияларда зерттелуде, олар литий-ионды аккумуляторларға қарағанда шығындар әлдеқайда төмен болуы мүмкін екенін мәлімдейді. Стирлинг қозғалтқыштары, түрлендіру тиімділігі 20%-дан жоғары болғанына қарамастан, жеткіліксіз сенімді деп танылды. Алайда, кішкентай энергия аралығындағы фотоэлектрлік құрылымдардағы (PV) соңғы жетістіктер TPV-лерді перспективалырақ етеді. 1350 К-қа дейін қыздырылған вольфрамды сәуле шығарушы, тандемді сүзгілер және 0,6 эВ InGaAs PV түрлендіргіші (бөлме температурасына дейін салқындатылған) бар 20% тиімділікке ие TPV радиоизотоптық түрлендіргіші көрсетілді. Жоғалған энергияның шамамен 30%-ы оптикалық қуыс пен сүзгілерге байланысты болды, ал қалғаны PV түрлендіргішінің тиімділігіне байланысты. Ұсынылатын ТЭЦ 1425 °C температурада жұмыс істейтін SiC ИК сәуле шығарушыны және қайнаған салқындатқышпен салқындатылған GaSb фотоэлементтерін пайдаланады. TPV ТЭЦ сағатына 85 000 БТҰ (25 кВт жылу) шығарып, 1,5 кВт энергия өндіреді. Есептелген тиімділік 12,3% құрайды (1,5 кВт/25 кВт = 0,06 = 6%), инвестиция талап етеді немесе 20 жылдық қызмет мерзімін ескере отырып, 0,08 €/кВт·сағ. Басқа TPV емес ТЭЦ-тердің бағаланған құны газ қозғалтқышты ТЭЦ үшін 0,12 €/кВт·сағ, ал отын элементі ТЭЦ үшін 0,16 €/кВт·сағ. Бұл пеш коммерцияланбады, себебі нарық жеткілікті үлкен емес деп саналды.

Көңіл көтеру құралдары

ТПВ-лар ойын-сауық көліктерінде қолдануға ұсынылған. Олардың бірнеше отын түрін пайдалану мүмкіндігі, жаңа, экологиялық таза отындар пайда бола бастағанда оларды қызықтырақ етеді. ТПВ-ның шусыз жұмыс істеуі, шулы дәстүрлі генераторларды алмастыруға мүмкіндік береді (мысалы, ұлттық саябақтардағы кемпингтерде "тыныш сағаттар" кезінде). Дегенмен, қажетті тиімділік деңгейіне жету үшін эмитерлердің жоғары температурада жұмыс істеуі қажет болғандықтан, осы көлемдегі ТПВ-ны пайдалану қиынға соғады.