Ученые из Института солнечной энергии Мадридского политехнического университета и Центра энергетических, экологических и технологических исследований в Альмерии предложили новую концепцию хранения солнечной энергии: компактную термофотоэлектрическую батарею, которая работает при температуре выше 1100 °C. Они объединили в одном модуле три функции: поглощение солнечного света, накопление тепла в расплавленном материале и последующее преобразование этого тепла в электричество. Этот формат позволяет отказаться от больших и сложных солнечных электростанций с расплавленными солями и вырабатывать электроэнергию, которая не зависит от времени суток.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, в которых энергия хранится в химических связях, в предлагаемой системе энергия хранится в скрытой теплоте плавления фазового материала. В основе решения лежит сплав Fe-Si-B, который плавится при температуре 1157 °C и может накапливать более 1000 кВт·ч тепла на кубический метр. Это в 6–10 раз больше, чем у широко распространённых нитратных солей, что позволяет значительно уменьшить размер накопителя. Для зарядки системы солнечный свет усиливается примерно в 900 раз с помощью гелиостатов и подается в полостной поглотитель, который нагревает контейнер со сплавом до его расплавления. Во время разрядки горячие стенки контейнера начинают излучать в инфракрасном диапазоне, а термофотоэлектрические элементы улавливают это излучение и преобразуют его в электричество. Эти элементы из низкочастотных полупроводников эффективно работают при температуре 1100–1200 °C и обеспечивают совокупный КПД более 40 %.
Управляемость устройства обеспечивается возможностью перемещения его ключевых частей (контейнера с расплавом и блока TPV-элементов) относительно друг друга. Это позволяет выбрать оптимальное положение для зарядки, разрядки или хранения тепла. Таким образом, реализованы четыре режима: одновременная зарядка и выработка в течение дня, чистая зарядка, ночная зарядка и длительное хранение. В последнем режиме потери незначительны: расчёты показывают, что система может сохранять тепло в течение 18–19 часов при высоте контейнера около 0,48 м и более 24 часов при высоте контейнера до 0,72 м.
Чтобы проверить работоспособность концепции, исследователи создали подробную цифровую модель, которая включала в себя расчёт солнечной оптики, трёхмерную термодинамику и моделирование фотоэлектрических элементов. Всего было проведено более 70 симуляций, в ходе которых анализировались геометрия контейнера, профиль солнечного потока и параметры полупроводников. Исследователи обнаружили, что оптимальная конфигурация включает в себя теплоаккумулятор высотой 0,48–0,72 м и элементы из InGaAs с шириной запрещённой зоны около 0,74 эВ. Эта конфигурация обеспечила наилучший баланс между временем зарядки, продолжительностью разрядки и потерями.
Эффективность полного цикла преобразования солнечного тепла в электричество превысила 20 %, достигнув 23–25 % в оптимальных условиях. Учёным удалось удержать боковые потери тепла на уровне около 7 %. Самыми большими препятствиями по-прежнему остаются потери излучения через открытое пространство и неравномерное распределение солнечного потока, из-за чего верхние зоны поглотителя перегреваются и отдают часть энергии в атмосферу.
Модульный принцип делает эту систему гибкой в применении: её можно использовать в качестве основы для высокотемпературных солнечных электростанций или в качестве локальных накопителей энергии для промышленности и отдалённых районов. На следующем этапе исследователи планируют создать экспериментальный прототип высотой 0,24 м, который позволит подтвердить результаты моделирования и приблизить технологию к реальной реализации.