Ученые из Института солнечной энергии Мадридского политехнического университета и Центра исследований энергетики, окружающей среды и технологий в Альмерии предложили новую концепцию хранения солнечной энергии – компактную термофотовольтаическую батарею, работающую при температурах свыше 1100 °C. В одном модуле они объединили сразу три функции: поглощение солнечного света, накопление тепла в расплавленном материале и последующее преобразование этого тепла в электричество. Такой формат позволяет отказаться от больших и сложных солнечных станций с расплавленными солями и сделать выработку электроэнергии не зависящей от времени суток.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, где энергия хранится в химических связях, в предложенной системе она запасается в тепле – в скрытой теплоте плавления фазового материала. Основой служит материал Fe-Si-B, который плавится при 1157 °C и способен накапливать более 1000 кВт·ч тепла на кубометр. Это в 6-10 раз больше, чем у распространенных нитратных солей, что позволяет значительно сократить размеры хранилища. Чтобы зарядить систему, солнечный свет с помощью гелиостатов усиливается примерно в 900 раз и подается в полость-поглотитель, нагревающую контейнер со сплавом до расплава. При разрядке раскаленные стенки контейнера начинают излучать в инфракрасном диапазоне, а термофотовольтаические элементы улавливают это излучение и преобразуют его в электричество. Такие элементы из низкозонных полупроводников работают эффективно при температурах 1100-1200 °C и обеспечивают интегральный КПД свыше 40%.
Управляемость установки обеспечивается тем, что ее ключевые части (контейнер с расплавом и блок TPV-элементов) могут перемещаться относительно друг друга. Это позволяет выбирать оптимальное положение для зарядки, разрядки или хранения тепла. В результате реализованы четыре режима: одновременная зарядка и генерация днем, чистая зарядка, ночная разрядка и длительное хранение. В последнем случае потери минимальны: расчеты показывают, что при высоте контейнера около 0,48 м система может удерживать тепло 18-19 часов, а при увеличении высоты до 0,72 м – больше суток.
Чтобы проверить работоспособность концепции, исследователи создали детальную цифровую модель, включающую расчет солнечной оптики, трехмерную тепловую динамику и моделирование работы TPV-ячеек. Всего было проведено более 70 симуляций, в ходе которых анализировались геометрия контейнера, профиль солнечного потока и параметры полупроводников. Оптимальной оказалась конфигурация с высотой теплового аккумулятора 0,48-0,72 м и использованием элементов InGaAs с шириной запрещенной зоны около 0,74 эВ. Этот вариант обеспечил лучший баланс между временем зарядки, длительностью разрядки и потерями.
Круговой КПД полного цикла «солнце → тепло → электричество» превысил 20% и в оптимальных условиях достиг 23-25%. Боковые теплопотери удалось удержать на уровне около 7%. Главным ограничением остаются радиационные потери через открытую апертуру, а также неравномерность распределения солнечного потока, из-за которой верхние зоны поглотителя перегреваются и передают часть энергии в атмосферу.
Модульный принцип делает такую систему гибкой в применении: ее можно использовать как основу для высокотемпературных солнечных электростанций или как локальные накопители энергии для промышленности и удаленных районов. На следующем этапе исследователи планируют создать экспериментальный прототип высотой 0,24 м, который позволит подтвердить результаты моделирования и приблизит технологию к внедрению в реальных условиях.
