Zásoby tradičních paliv valem ubývají, jiné zdroje energie však stále ještě nesplňují očekávání. Stále se proto zkoumají nové či staronové možnosti jak získávat elektřinu. Příkladem je termofotovoltaika, která umožňuje přímé získávání elektrické energie ze zdrojů tepla bez pomoci generátorů nebo palivových článků.
Každý plamen vydává světlo, proč jej tedy neobklopit fotočlánky a nezískávat tak elektřinu levněji a jednodušeji, než v klasických elektrárnách, generátorech i jiných zdrojích? Na první pohled je to myšlenka poněkud prostoduchá a připomínající nápady Járy Cimrmana, má ale překvapivě dlouhou historii. Vědci se jí zabývali už před půl stoletím a dnes s ní v nových podmínkách opět koketují. Zatím málo známý princip totiž skrývá velké možnosti využití, od automobilů s alternativními pohony až po jaderné elektrárny.
Nový kabát pro starý nápad
Základy termofotovoltaiky (TPV) položil v 50. letech minulého století francouzský vědec Pierre Aigrain. Princip je lákavě jednoduchý! TPV zařízení totiž obsahuje jen dvě hlavní části, tepelný emitor (pevné těleso ohřáté spalováním na potřebnou teplotu) a fotočlánky obdobné těm, jaké pracují v solárních panelech. V praxi se ale postup neujal, protože ztráty byly vysoké a efektivnost přeměny nízká. Zdálo se proto, že klasická kombinace tepelného stroje s dynamem či alternátorem je mnohem výhodnější. Nástup nových typů polovodičů a fotonických prvků dnes ale vědce opět přivedl k zájmu o termofotovoltaiku.
Na starý problém se z nového zorného úhlu podívali vědci z americké Massachusetts Institute of Technology (MIT). Srdcem jejich generátoru je válec z wolframu, do nějž bylo vyleptáno obrovské množství nepatrných otvorů. Uvnitř při vysoké teplotě hoří palivo, které válec zahřívá na teplotu 1500 stupňů Kelvina (1227 °C). Jeho povrch proto vyzařuje infračervené záření. Mezi válcem a fotodiodami je ještě zvláštní filtr, který propouští jen vybrané vlnové délky, zatímco nepotřebný zbytek odráží zpět. Tím se zvyšuje teplota válce a zároveň účinnost celého procesu.
O TPV se intenzívně zajímají i na dalších vědeckých pracovištích USA. Jedním z nich je Western Washington University. Jejich zařízení, které romanticky pokřtili Půlnoční slunce spaluje metan.
Nahradí běžné akumulátory?
Výhodou TPV oproti palivovému článku je jednoduchost, oproti generátoru se spalovacím motorem navíc absence nespolehlivých pohyblivých dílů. TPV generátor má tichý a čistý chod, protože spalování neprobíhá v jednotlivých explozích, jako v motoru, ale stále. Nemusí být přitom spalována jen klasická paliva, ale i biopaliva z obnovitelných zdrojů, například metan, líh, bioplyn a další.
Ze všeho nejvíc si ale odborníci pochvalují poměrně vysokou účinnost ve srovnání s klasickými fotovoltaickými články. Zatímco u těch je za slušnou hodnotu považováno 15 %, u TPV hořáku začíná u 25 % a může dosáhnout i 50 % a více (podle konstrukce, použitého měniče, polovodiče atd.). Nevýhodou zatím je vysoká provozní teplota. „Pro vysokou účinnost potřebujeme vysokou teplotu – zároveň ale nechceme, aby se v okolí našeho článku všechno tavilo,“ říká prof. Kassakian z MIT. „Odpadní teplo se ale dá s výhodou využít, například při vytápění, v klimatizaci apod..“
První praktické využití autoři vidí v automobilech. Zpočátku by takový systém například mohl s výhodou nahradit běžné alternátory a řešit některé problémy dieselových motorů. Ještě víc se ale hodí jako hlavní zdroj síly pro hybridní vozy – v dalších etapách vývoje by jim mohl posloužit jako čistý a úsporný zdroj elektrické energie. Stejně tak se ale nabízí možnost využít TPV v klimatizačních jednotkách, při zásobování elektřinou na odlehlých místech a podobně. Nechybí ale ani úvahy, že by mohl zcela nahradit klasické nebo jaderné elektrárny, mj. i proto, že tak lze výhodně získávat elektřinu z biopaliv a dalších obnovitelných zdrojů.
Viking se už chystá
První automobily, které jako zdroj síly využívají TPV se už konstruují, byť se zatím jedná jen o pokusné konstrukce. Jedním z nich je Viking 29, který v USA staví Institut výzkumu motorových vozů (WRI) a společnost JX Crystals z Issaquah. Zdrojem síly sportovně vyhlížejícího vozu je pro tento účel speciálně vyvíjený TPV generátor s výkonem 10 kW. Centrální hořák článku spaluje stlačený zemní plyn, přičemž plamen má teplotu 1700 stupňů Kelvina (1427 °C). Hořák obklopuje emitor infračerveného záření, za nímž jsou fotoelektrické články na bázi sloučeniny galia a arsenu. Těchto jednotek je pod kapotou osm, jedná se tedy jakýsi „TPV osmiválec“.
Vyrobená elektrická energie se „uskladňuje“ v niklkadmiovém akumulátoru s životností 10 let, pohon zajišťuje elektromotor s výkonem 53 kW. Efektivnost provozu hlídá počítačová jednotka. Systém používá napětí 360 V, proto konstruktéři zvolili za konstrukční materiál vozu laminát a uhlíková vlákna. Předběžné testy ukázaly, že ve výfukových plynech je 50x nižší obsah škodlivých látek, než jaký produkuje běžný spalovací motor stejného výkonu.
„Vedle pohonu aut nabízí TPV systém celou řadu dalších zajímavých využití,“ tvrdí odborníci z Western Washington University. „Díky vedlejší produkci tepla se uplatní v horských a polárních oblastech, na lodích a podobně.“ Vážný zájem ale mají i vojáci! Mnoho projektů zabývajících se využitím TVP proto podporuje i proslulá americká DARPA, agentura pro pokročilé výzkumy, která má mimo jiné „na svědomí“ i internet.
Chycené slunce
Postupně se ukazuje, že princip TPV nemusí jako zdroj záření využívat jen klasická paliva, ale může mít i celou řadu zajímavých variant. Někteří konstruktéři se například snaží touto cestou zlevnit elektřinu „ze slunce“. Klasické solární panely jsou totiž zatím drahé a málo účinné a každá možnost jak to napravit se hodí.
Běžný způsob získávání elektřiny ze slunce prostřednictvím polovodičových článků ostatně není nic jiného než TPV, v němž místo plamene „hoří“ termojaderné reakce v nitru vzdáleného Slunce. Někteří inženýři z toho vyšli a vyrobili TPV solární zařízení, která zvyšují účinnost přeměny slunečního záření na energii. Pro tuto oblast termofotovoltaiky se používá označení STPV (Solar Thermophotovoltaic).
Takový solární článek se na první pohled podobá spíš slunečním pecím, vařičům a dalším zařízením, která využívají sluneční energie k docílení vysokých teplot. Jde vlastně o parabolickou mísu pokrytou reflexní vrstvou, která soustřeďuje paprsky do jednoho ohniska. V něm je speciální konvertor, který přeměňuje vlnovou délku záření a soustřeďuje je na vrstvu polovodičových fotovoltaických článků uvnitř uzavřeného prostoru. Princip je tedy stejný jako u spalovacích termofotovoltaických článků, jen konstrukce je jaksi obrácena naruby.
Jaderná energie jinak
Využití solárních TPV je pestré, od pozemních elektráren (zejména v pouštních oblastech, na rovníku atd.) až po kosmickou techniku. Vyvíjí se i termofotoltaické články pro satelity, které, narozdíl od běžných křemíkových solárních panelů, mají lépe odolávat tvrdým podmínkám v kosmickém prostoru a neztrácet výkon.
Nemusí ale zůstat jen u slunce. Jako zdroj tepelného záření pro TPV může posloužit také jaderný reaktor. Jaderná elektrárna založená na tomto principu se obejde bez složitého a drahého sekundárního okruhu, který je častým zdrojem poruch. Mnozí odborníci ostatně už dlouho poukazují na to, že současné využívání energie jádra pro pohon parních generátorů je nejen primitivní (asi jako kdybychom počítačové procesory využívali jen k ohřívání pokrmů), ale i neefektivní. TPV by mohla energetickou účinnost jaderných reaktorů dostat až vysoko nad 50 %.
Na University of Houston (USA) zas vyvíjejí izotopové články využívající princip TPV. Jde o obdobu článků, které například zásobovaly energií sondy mířící za hranice sluneční soustavy, ale s využitím principu TPV se účinnost zvýší třikrát až čtyřikrát.
Jinou z perspektivních možností TPV, o kterých se zatím jen uvažuje, je bezdrátový dálkový přenos energie na velké vzdálenosti. „Vysílačem“ je v takovém případě výkonný laser, přijímačem TPV buňka.
Zkoušejí to už i amatéři
Zájem o termofotovoltaiku už ale začínají projevovat i amatérští kutilové. Na internetu se například objevují nápady pracující na principu benzinových nebo propanbutanových lamp, které jsou běžně k dostání na trhu. Nadšení kutilové se snaží rozžhavenou keramickou „punčošku“ takového osvětlovacího tělesa obklopit klasickými křemíkovými fotočlánky a zkoušejí, co to udělá.
Nutno ovšem dodat, že to má několik vad na kráse. Jednou z nich je to, že křemíkové polovodičové panely nemají rády vysoké teploty. Další a asi podstatně závažnější je skutečnost, že takové kutění není bezpečné a vyžaduje špičkové vybavení i odborníky.
Především ale rostoucí zájem výzkumných týmů s tímto zaměřením naznačuje, že z okrajové záležitosti se postupně stává velmi perspektivní řešení. Někteří odborníci dokonce naznačují, že TPV by mohlo ve vzdálenější budoucnosti být jednou z nejrozšířenějších technologií v energetice.
Co je termofotovoltaika?
Vysoce účinná přímá přeměna tepelné energie na elektrickou prostřednictvím tělesa zahřívaného přímo ve spalovací zóně hořáku (tzv. emitoru) a polovodiče.
Emitor zahřívaný na 1000 až 1500 stupňů Kelvina vyzařuje nízkoenergetické elektrony. Ty pak dopadají na vrstvu polovodivého materiály s citlivostí vyladěnou na vlnovou délku záření vydávaného emitorem. U polovodivé vrstvy s jedním přechodem dosahuje účinnost přeměny 25 %, u polovodiče se dvěma přechody okolo 50 %.
Průkopník termofotovoltaiky
Francouzský fyzik Pierre Aigrain se narodil 28. září 1924 v Poitiers. Vystudoval námořní akademii a během 2. světové války pak sloužil jako důstojník námořnictva.
Po válce byl vyslán společně s dalšími francouzskými důstojníky do USA ke studiu na Carnegie Institute of Technology. Zaměřil se zde na elektrotechniku a elektroniku. V roce 1950 opustil námořnictvo a působil jako vysokoškolský profesor na pařížské Faculté des Sciences, později jako vysoký státní úředník řídící vědu, výzkum a vzdělání. Nějaký čas přednášel také na slavné americké universitě Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Zemřel 30. října 2002 na Alzheimerovu chorobu.
