熱電池と熱光起電力を使用して、熱を電気に変えることができます。これは、シンプルだがスマートなプロセスで機能します。何かが熱いとき、それはエネルギーを放出します。このエネルギーは、フォトンと呼ばれる小さなパケットとして出てきます。特別なセルがこれらの光子を取り込みます。光子が十分なエネルギーを持っている場合、光子は細胞内で電子を移動させます。この動きによって電気が発生します。 以下の表に各ステップを示します。
| ステップ | 説明 |
|---|---|
| 1 | 熱い物体は光子として熱放射を放出します。 |
| 2 | 太陽電池は、放出されるエネルギーと一致するこれらの光子を取り込みます。 |
| 3 | 十分なエネルギーを持った光子は、半導体材料内の電子を励起します。 |
| 4 | 電場によって自由電子が電極に押し出され、電気が発生します。 |
熱起電力電池は熱を電気に変換します。彼らは熱いものから光子を取り込むことによってこれを行います。これらの光子は電子を移動させ、電流を生成します。
熱光起電力技術は、特殊な材料を使用するとより効果的に機能します。これらの材料は低エネルギーの赤外線光子を捕らえます。これにより、この技術は多くのエネルギー システムに適しています。
の 熱光起電力システムの主要部分は 、ホットエミッタ、熱光起電力セル、反射ミラー、および冷却システムです。これらの部品は、エネルギー変換を改善するのに役立ちます。
熱光起電力技術の新たな改良により、効率がさらに向上しました。現在では 41% 以上の効率で動作できるようになりました。そのため、電力が必要な工場や遠隔地に最適です。
熱起電力システムはさまざまな方法で使用できます。廃熱を利用したり、ポータブル電源を製造したり、さらには宇宙ミッションに電力を供給したりすることで、エネルギーの節約に役立ちます。これはエネルギーの節約と持続可能性の向上に役立ちます。
熱起電力セルが役立ちます 熱を電気に変える。彼らは熱いものからエネルギーを取り入れることでこれを行います。熱い物体は電磁放射線を放出します。細胞はこの放射線を受け取ります。細胞内では半導体が電子を動かします。電子が移動すると電流が発生します。熱起電力セルが熱源の近くにあり、発電を開始すると、これが発生することがわかります。
熱起電力セルは、 太陽光発電効果。この効果は、電磁放射線が半導体に当たると発生します。細胞内で電子を移動させます。細胞はこれらの移動する電子を集めて回路に送り出します。これにより電気が得られます。主な目標は、シンプルかつ効率的な方法で熱を電気に変えることです。
熱光起電力技術は、熱起電力セルに基づいて構築されています。より多くの種類のエネルギーを捕捉できる特別な太陽電池を使用しています。これらの細胞は、低エネルギーの赤外線光子を捕捉するのが得意です。一定のバンドギャップを持つ先進的な半導体材料を使用します。バンドギャップは、セルが熱からより多くのエネルギーを取り込むのに役立ちます。
熱光起電力デバイスは、セルの近くにホットエミッターを置くことで機能します。エミッターは電磁放射線を放出します。細胞はこのエネルギーを取り入れて電気に変換します。このプロセスは、次のような新しいエネルギー システムで見られます。 効率とパフォーマンスの向上.
熱起電力セルと熱光起電力技術がどのように似ているのか、それとも異なるのか疑問に思うかもしれません。どちらも半導体と光起電力効果を利用して熱から電気を作ります。どちらもエネルギーとして電磁放射を必要とします。しかし、熱光起電力技術では、より優れた設計と材料が使用されています。これにより、より効率的に機能し、より多くのエネルギーをキャッチすることができます。
以下に主な類似点を示す表を示します。
| 特徴 | 熱起電力セル | 熱光起電力技術 |
|---|---|---|
| 変換された放射線の種類 | 電磁 | 電磁 |
| 光子エネルギー | 高エネルギー | 低エネルギーの赤外線光子 |
| 使用素材 | 半導体 | 特定のバンドギャップを持つ半導体 |
| 発電の仕組み | 電子励起 | 電子励起 |
ここで、熱光起電力と他の熱から電気への変換技術の主な違いを見てみましょう。
| アスペクト | 熱光起電力 (TPV) | 熱電技術 |
|---|---|---|
| エネルギー変換の仕組み | 熱放射を電気に変換します | 温度差を電気に変換 |
| 効率 | 理論上の限界は 30 ～ 40%、商用限界は 5 ～ 20% | 商業用は 5 ～ 8%、実験室用は最大 10 ～ 12% |
| 材料構成 | 高度な設計を備えた特殊な太陽電池 | 各種半導体材料 |
| アプリケーションの適合性 | 効率の向上により商用アプリケーションの実行可能性が向上 | ほとんどのアプリケーションでは効率が低いため制限されます |
ヒント: 熱光起電力セルは、 より高い効率。これらは、より多くの種類のエネルギー システムで使用される可能性があります。
熱光起電力技術により、熱を直接電気に変換できます。可動部品や追加の手順は必要ありません。主なアイデアは太陽光発電効果です。ホットエミッタがエネルギーを放出すると、セルはそれを取り込みます。セルは半導体を使用して電子を移動させます。これらの電子の移動により電流が発生します。
以下に、主な物理原理を説明した表を示します。
| 主要な原理の | 説明 |
|---|---|
| 光起電力効果 | 高温の物体からの電磁放射により、太陽電池内で電力が生成されます。 |
| 効率 | ホットエミッターから太陽電池への総放射熱伝達に対する電力出力の比率。 |
| 電力密度 | 単位面積あたりの電力出力。システムのパフォーマンスにとって重要です。 |
| ニアフィールド効果 | エミッターがセルに非常に近い場合、余分なエネルギー伝達が発生します。 |
熱光起電力デバイスは、熱からより多くのエネルギーを得るためにこれらのアイデアを使用していることがわかります。半導体の製造方法と、エミッタとセルの設定方法は非常に重要です。適切な材料を使用し、エミッターを近くに配置すれば、セルの動作を改善し、同じ熱からより多くの電力を得ることができます。
熱太陽光発電システムには、いくつかの主要部品が必要です。各部品は熱を電気に変えるのに役立ちます。ほとんどの熱光起電力デバイスには、次の重要なコンポーネントが含まれています。
ホットエミッター: この部分は非常に熱くなり、エネルギーで輝きます。特殊な素材で作られています。これらの材料は加熱されると多くのエネルギーを放出します。
熱光起電力セル: このセルはエミッターの近くにあります。半導体を使用してホットエミッタからのエネルギーをキャッチします。細胞はこのエネルギーを電気に変換します。
反射ミラー: これらのミラーは、未使用の光をエミッタに反射させます。これにより、システムがエネルギーを再利用し、動作が向上します。
冷却システム: セルが正常に動作するには、セルを冷却した状態に保つ必要があります。冷却システムは余分な熱を取り除きます。セルを適切な温度に保ちます。
電気回路: ワイヤーと回路は、セルから必要な場所に電気を送ります。
注: 熱光起電力セルに適切な半導体を選択することは非常に重要です。最高の素材は、細胞がより多くのエネルギーを受け取り、より良く機能するのに役立ちます。
簡単な手順に従って、熱光起電力デバイスがどのように熱を電気に変えるかを確認できます。各ステップでは科学を利用してエネルギー変換を実現します。
エミッタを加熱する
まず、エミッタを加熱します。エミッタは非常に高温になり、発光し始めます。この輝きはただの光ではありません。また、多くのエネルギーを蓄える赤外線も持っています。
フォトンの放出
ホット エミッターはエネルギーをフォトンとして送信します。これらの光子はエミッターから熱光起電力セルに移動します。
セルによる光子の吸収
熱光起電力セルは特殊な半導体から作られています。光子を吸収します。セルは、フォトンが一致するときに最もよく機能します。 半導体のバンドギャップ。バンドギャップの低いセルは、エミッターからより多くの赤外線光子をキャッチできます。
電子励起
光子が半導体に衝突すると、電子にエネルギーが与えられます。電子は励起されてより高い準位に移動します。この動きにより電子の流れが始まり、電気が始まります。
発電
細胞は移動する電子を集めます。それは電気回路を通してそれらを送ります。今では熱から電気が作られています。
フォトンのリサイクル
一部のフォトンには、電子を励起するのに十分なエネルギーがありません。反射ミラーは、これらの未使用の光子をエミッターに送り返します。エミッターはそれらを受け取って、再度送信することができます。これにより、システムの動作が向上します。
セルの冷却
冷却システムは、熱光起電力セルを適切な温度に保ちます。セルが熱くなりすぎると、正常に動作しなくなります。適切な冷却は、エネルギー変換を強力に維持するのに役立ちます。
高エネルギーの光子とバンドギャップの小さいセルを使用すると、より良い結果が得られます。熱を電気に変える仕組みは次のとおりです。
ホットエミッターからの高エネルギー光子は、半導体内でより多くの電子を励起します。つまり、同じ熱からより多くの電力を得ることができます。
低バンドギャップセルはより多くの赤外線光子を取り込むことができます。これらの光子は、たとえ目に見えなくても、多くのエネルギーを持っています。
一部のシステムでは、 光子増強熱イオン放射 (PETE) 。 PETE では、高エネルギー光子が熱電子放出プロセスに役立ちます。これにより、より簡単に熱を電気に変えることができます。
熱光起電力システムでは、多くの場合、反射ミラーが使用されます。これらのミラーは、電子を励起できない光子を再利用します。これらの光子をエミッタに送り返すことにより、エネルギー変換が改善されます。
ヒント: 半導体のバンドギャップをエミッターからの光子のエネルギーに一致させると、セルの動作を改善し、同じ熱からより多くの電力を得ることができます。
プロセスのすべての部分が連携して動作していることがわかります。エミッター、セル、ミラー、冷却システムはすべて、熱を電気に変換するのに役立ちます。適切な材料と設計を使用すると、熱光起電力技術により高効率と強力なエネルギー変換が実現します。
熱光起電力技術は、さまざまな種類のセルを使用して熱から電気を生成します。半導体ベースの TPV セル、金属ベースの TPV セル、ハイブリッド TPV 設計の 3 つの主なタイプがあります。それぞれのタイプが独自の方法で機能し、より多くの電力を生成し、エネルギーをより効果的に使用できるようにします。
ほとんどの熱光起電力セルは半導体を使用します。これらの材料は、細胞が熱を吸収して電気に変換するのに役立ちます。半導体のバンドギャップによって、セルがどの光子を使用できるかが決まります。バンドギャップがエミッターからのエネルギーと一致すると、セルはより良く機能します。
以下の表は、いくつかの一般的な半導体材料とそれらの機能をリストしたものです:
| 半導体材料の | バンドギャップ (eV) | 効率 (%) |
|---|---|---|
| アルガインアス | 1.2 | 41.1 |
| ゲインアス | 1.0 | 41.1 |
| GaAs | 1.4 | 41.1 |
これらの材料は、細胞がうまく機能するのに役立ちます。これらにより、熱光起電力デバイスは熱からより多くのエネルギーを得ることができます。
熱光起電力セルの中には、半導体の代わりに金属を使用するものもあります。金属ベースの TPV セルは高温でも動作できます。熱が非常に強い場所でこのような細胞が見られることがあります。金属はより多くの熱を処理できますが、常に半導体ほどエネルギーを変化させるわけではありません。場合によっては、セルがより多くのエネルギーを取り込み、より良く機能するように、薄い金属層が使用されます。
注: 金属ベースの TPV セルは、厳しい場所でも長持ちしますが、半導体セルほど機能しない可能性があります。
ハイブリッド熱光起電力セルは、より効果的に機能するためにさまざまな材料または方法を使用します。一部のセルでは、半導体と冷却層の両方を使用します。他の設計では、フォトニック結晶やナノワイヤなどを使用して、セルがエネルギーをどのように取り込み、放出するかを制御します。
以下の表は、ハイブリッド設計が熱光起電力セルの動作を改善するのにどのように役立つかを示しています:
| 研究 | 結果 |
|---|---|
| 周ら。 | フォトニック結晶クーラーにより、TPV セルの性能が 18% 向上しました。 |
| ブランドレら。 | 放出されるエネルギーの量を変えることが TPV セルを助けました。 |
| ウーら。 | GaAs ナノワイヤ PV セルは、ほぼ 7K 低温のままでした。 |
| 新しいデザイン | 特別なエミッタと GaSb PV セルを備えた TPV-PRC システムは、1400K で 60% の効率を達成しました。 |
ハイブリッド熱光起電力セルは、同じ熱からより多くの電力を得るのに役立ちます。これらの設計により、セルの機能が向上し、エネルギーがより効率的に使用されます。
いくつかの主要な点に注目することで、熱光起電力システムの動作を改善することができます。熱からより多くのエネルギーを得るには、熱放射をどのように処理するかが非常に重要です。半導体はエミッタからのエネルギーと一致する必要があります。寄生吸収を非常に低く抑えれば、セルはより良く機能します。電荷キャリアを管理すると、セル内のエネルギー損失を防ぐことができます。強力な材料を使用すると、実際の結果をラボテストに近づけることができます。
| 要因の | 説明 |
|---|---|
| 熱放射の管理 | 熱放射を制御する新しい方法により、システムの効率が大幅に向上します。 |
| 電荷キャリアの管理 | 非放射再結合とオーミック損失を修正すると、セルの動作が向上します。 |
| 素材の製造 | 優れた材料を大規模に使用すると、テストと実際の使用の間のギャップを埋めることができます。 |
| 寄生吸収 | 高効率を実現するには、非常に低い寄生吸収が必要です。 |
| 再生型熱太陽光発電 | このアイデアにより、1182 °C で 32% という記録的な効率を達成することができました。 |
ヒント: 半導体のバンドギャップがエミッターからの光子のエネルギーと一致する場合、セルの動作を向上させることができます。
熱光起電力技術は最近大幅に進歩しています。科学者たちは、以下に到達する装置を作成しました。 2,400 °C で効率 41.1% 。 NREL のセルは特殊な半導体を使用しており、 35%以上の効率。 Antora Energy は、安価で一般的な固体を熱の貯蔵に使用しているため、貯蔵コストが大幅に低くなります。 MIT はコストを削減し、効率を高める新しいデバイス設計を採用しています。いくつかのグループは、量子物理学のアイデアを使用して 60% 以上の効率を実現する熱エミッターを作成しました。
| 進歩の | 説明 | 効率への影響 |
|---|---|---|
| NRELのTPVセル | InGaAs TPV セルは ARPA-E と Shell によって資金提供されています。 | 効率は 35% 以上。 |
| Antora Energy のテクノロジー | 一般的な固体による高温蓄熱。 | 保管コストはバッテリーよりもはるかに低くなります。 |
| MITのハイバンドギャップデバイス | TPV 効率を向上させるための新しいデバイス設計。 | コストと効率が大幅に向上します。 |
その方法がわかります 熱光起電力システムは他の方法と比較します。 、熱を電気に変える熱電発電機は、低温で最もよく機能します。しかし 熱光起電力システムは、 より高い温度でより優れた性能を発揮します。 1,000 K を超える熱光起電力セルを使用すると、より多くのエネルギーとより良い結果が得られます。
| 温度範囲 (K) | TEG 性能 | TPV 性能 |
|---|---|---|
| 最大600 | より良く動作します | それほど良くない |
| 600～1000 | 高温TEG | ほぼ同じ |
| 1000以上 | それほど良くない | より良く動作します |
| 2000年以上 | 未使用 | セルが熱くなりすぎる |
注: 熱光起電力システムは、非常に高い熱を電気に変換する必要がある場合に最適です。
熱光起電力技術により、さまざまな方法で熱をエネルギーに変換できます。これらのシステムは、大規模な工場、小型機器、さらには新しい市場でも見つけることができます。それぞれの用途では、熱光起電力セルが熱から電気を作る仕組みを利用しています。彼らはこれを行う 高効率.
熱光起電力システムは産業と産業を支援します。 電力網が たくさんあります。これらの使用によりエネルギーが節約され、コストが削減されます。
グリッドスケールのエネルギー貯蔵は、 再生可能エネルギーを熱として保持します。その後、必要に応じて熱を電気に戻します。
廃熱回収では、熱光電池を使用して失われた熱を回収します。この熱は工場や発電所から発生します。細胞はそれを新しいエネルギーに変えます。
これらの産業用途の市場は急速に成長しています。以下にいくつかの推定値を含む表を示します。
| 出典 | 推定市場規模 | 年 |
|---|---|---|
| 関連市場調査 | 4億ドル | 2032 |
| 透明性市場調査 | 1,740万ドル | 2031 |
| コグニティブ市場調査 | 12億ドル | 2033 |
熱光起電力技術は、大企業がエネルギーをより効率的に使用し、無駄を減らすのに役立ちます。
熱光起電力電池は、人や遠く離れた場所に役立ちます。これらのシステムは、他の選択肢が機能しない場合に電力を供給します。
ポータブル発電は 小型の発電機を使用します。これらはキャンプファイヤーやエンジンからの熱を電気に変換します。
自動車用途では、車のエンジンから廃熱が取り込まれます。これにより、自動車は燃料をより効率的に使用できるようになります。
放射性同位体熱太陽光発電システムは、長期間持続する電力を供給します。彼らは遠隔地や宇宙ミッションで働いています。
これらの使用法は、熱光起電力セルがエネルギーを最も必要とする場所にエネルギーをどのように届けるかを示しています。
将来的には、新たな熱光起電力の用途が登場するでしょう。強力で効率的なエネルギーを必要とする市場向けに、多くのアイデアがテストされています。
| アプリケーションの種類の | 説明 |
|---|---|
| 軍事および宇宙用途 | 熱光起電力システムは、厳しい場所でも高い電力と効率を提供します。 |
| 廃熱回収 | これらのシステムを使用して廃熱を電気に変換する工場がさらに増えるでしょう。 |
| 熱エネルギー貯蔵 | 熱を蓄えて、必要なときに電気に変えることができます。 |
| TPVバッテリー | 新しいバッテリーはエネルギーを熱として保持し、熱光起電力セルを使用して発電します。 |
熱光起電力技術は今後も成長し続けます。人々は、多くの分野でエネルギーをより効率的に使用するためのより良い方法を求めています。
熱光起電力技術には、エネルギーを生成する上で多くの優れた点があります。可動部品なしで熱を電気に変えることができます。これは、静かに動作し、すぐに故障しないことを意味します。これらのシステムは、他の種類のエネルギーがうまく機能しない場所で役立ちます。遠く離れた場所や宇宙旅行での電力として使用したり、機械からの余熱を利用したりすることができます。
熱光起電力セルは、小さなスペースで多くのエネルギーを蓄えることができます。必要なときに熱を保ち、電気を作ることができます。これらのシステムは、太陽、工場、原子力発電など、さまざまな熱源からの熱を使用できます。工場、家庭、さらには小さな機器にも使用できます。また、残りの熱を利用できるので、エネルギーの無駄も少なくなります。
主な利点は次のとおりです。
すぐに熱を電気に変えることができます。
さまざまな種類の熱を電力として利用できます。
システムは静かで、修理の必要はほとんどありません。
無駄になっていた余分な熱を利用することができます。
これらのシステムは、困難な場所や遠く離れた場所でも使用できます。
ヒント: 熱光起電力システムは、さまざまな面でエネルギー使用量と支出を削減するのに役立ちます。
熱光起電力技術にはいくつかの問題があります。最大の問題は、熱を電気に変換できないことです。非常に高い熱に耐えられる特殊な材料が必要です。こうしたシステムを作るには多額の費用がかかります。また、非常に高温になったときにもシステムが動作し続けることを確認する必要があります。
これをリストした表は次のとおりです。 主な問題:
| 主な制限と課題 |
|---|
| 電気に変わる熱はほとんどない |
| 高温で作業を続けるのは難しい |
| 製作や設置に多額の費用がかかる |
次のことについても考慮する必要があります。
現在の方法でこれらの問題を解決するのは難しく、コストがかかります
プランクの法則により、どの温度でも使用できる熱量が制限されます。一部のソリューションは構築が難しく、多額の費用がかかります。より多くの電力を供給するためにこれらのシステムを大型化するのは簡単ではありません。機能を向上させ、コストを削減するには、新しいアイデアとより良い材料が必要です。
注: いくつかの問題は、より良い素材と賢明なアイデアで解決できますが、コストと実際の動作の両方を考慮する必要があります。
熱光起電力技術は変化しています 刺激的な方法。科学者たちは新しい材料や熱のより良い利用方法を試しています。彼らは、特殊な材料が赤外線にどのように反応するかを調べています。これらの材料は、熱からより多くのエネルギーを受け取るのに役立ちます。これにより、熱を電気に変換しやすくなります。研究者らはまた、熱放射の働きを改善したいと考えています。彼らは、あらゆる熱い物体からより多くのエネルギーを得ることを望んでいます。
以下の表は、いくつかの主要な研究分野をリストしたものです:
| 研究分野の | 説明 |
|---|---|
| 先端材料の赤外線特性 | 独特の光学応答と有利な放射特性を備えた天然材料とナノ構造の研究。 |
| 熱放射の最適化 | エネルギー変換のために高温の物体から光とエネルギーを抽出する効率的な方法を開発します。 |
| TPV システムの経済的実現可能性 | システムの寿命や資本コストなど、TPV システムのコストに影響を与える要因を調査します。 |
研究者は、システムがどれくらいの期間持続するか、そしてどれくらいのコストがかかるかも研究しています。彼らは価格、インフレ、天然ガスのコストに注目します。これらのことは、次のことを判断するのに役立ちます。 熱光起電力システムは 現実でも機能します。より優れた素材とスマートなデザインを使用することで、コストを節約し、効率を向上させることができます。このため、熱光起電力エネルギーはさまざまな用途に役立ちます。
熱光起電力技術は非常に急速に成長しています。市場は次のようになります。 2024 年には 37 億ドル、2035 年には 96 億 7,000 万ドルに達します。これは、より多くの人が再生可能エネルギーと新しいテクノロジーに投資するために起こります。政府も強力なルールを作り、支援を与えることで支援します。同市場は2025年から2035年まで毎年約9.12％成長すると予想されている。
さまざまな場所で熱光起電力技術の使用が進んでいます。 北米は新しいアイデアを早くから採用しているため、先行しています。ドイツ、フランス、イギリスなどの国々を含むヨーロッパは、環境に配慮するためのルールのおかげで成長しています。アジア太平洋地域が最も急速に成長する可能性が高い。中国、日本、インド、韓国などの国々は工場に投資し、政府から援助を受けています。
市場が大きくなるにつれて、熱太陽光発電システムはより多くの場所で目にすることになるでしょう。エネルギー貯蔵、廃熱回収、遠方の電力として利用されます。テクノロジーが向上するにつれて、より高い効率とより信頼性の高いエネルギーが実現されるでしょう。熱光起電力システムは、将来のエネルギー需要にとってさらに重要になるでしょう。
熱起電力電池を使用すると、熱を電気に変えることができます。彼らは、熱いものからエネルギーを取り出し、電子を移動させることによってこれを行います。これらのシステムはエネルギーを節約し、さまざまな場所で機能するため役立ちます。新しいアイデアにより、これらのデバイスはより良く、より安価になります。
| 側面の | 説明 |
|---|---|
| デバイスのパフォーマンス | 新しい素材により、デバイスの動作が向上し、より多くの電力が生成されます。 |
| コスト削減 | 設計の改良により、TPV モジュールのコストが削減されます。 |
| 幅広い用途 | ハイブリッド システムを使用すると、このテクノロジーをより多くの場所で使用できるようになります。 |
エネルギーを節約し、デバイスの寿命が長くなります。
専門家らは、より良い結果を得るには、特別なエミッター とより強力な太陽電池を作る必要があると言っています。
これらの新しいテクノロジーを使用することで、世界をよりクリーンにすることができます。
熱起電力電池は、基本的な方法で熱を電気に変換します。熱光起電力セルは、より多くの赤外線エネルギーを捕捉するために特別な素材を使用しています。これにより、より低エネルギーの熱からより多くの電気を作ることができます。
小型の熱光発電システムをバックアップ電源またはキャビンに使用できます。ほとんどの家庭用システムはまだテスト中です。テクノロジーが進歩するにつれて、住宅の選択肢はさらに増えるでしょう。
熱光起電力セルは長年にわたって動作します。高温を避け、涼しく保管すると長持ちします。適切な冷却により、デバイスは長時間動作し続けることができます。
熱光起電力システムには可動部品がないため安全です。最大の危険は発熱体です。高温の部品に関しては常に注意し、安全規則に従ってください。
工場、発電所、宇宙ミッションでは熱光起電力システムが使用されています。ポータブル電源として使用したり、廃熱を回収したりすることもできます。技術が進歩するにつれて、新しい用途が現れるでしょう。
