Zdroj tepla v kombinaci s výrobou elektřiny

Demonstrační vzorek k fotovoltaické přeměně tepla

K přeměně tepelného záření na elektrickou energii dochází pomocí termofotovoltaických článků. Využití tohoto principu by mohlo otopné soustavě nabídnout značné možnosti při kombinované výrobě tepla a elektřiny. Kotel či celá otopná soustava by tímto způsobem mohly pokrýt vlastní spotřebu elektřiny, a to zcela nezávisle na výpadcích proudu z veřejné rozvodné sítě. Nadbytečná výroba proudu by pak mohla být využita jednak v domácnosti, jednak dodávána do rozvodné sítě.

V současné době, v raném stadiu výzkumu, jsou účinnosti tohoto řešení spíše skromné - lze je zatím procentuálně vyjádřit jednociferně, ovšem zřetelně se zvyšují. Vysoké účinnosti jsou však požadovány především tam, kde se jedná výhradně o odběr samotné elektřiny. V kombinaci se zdrojem tepla je však tato účinnost až druhořadá, protože tepelný výkon, který nebyl využit k výrobě elektřiny, se přidává k tepelnému výkonu soustavy a zdroj tepla se tak jako tak požaduje trvale. Také úvahy o využití kotle s fotovoltaikou ve spojení s akumulačními zásobníky pro pokrytí špičkových odběrů tepla byly brzy opuštěny. Výzkumná a vývojová pracoviště se dnes zaměřují na tzv. autarkní (soběstačný) provoz.

Selektivní zářič

Vývojový úkol je zaměřen na povrch válcového hořáku z pěnové porézní keramiky, pokrytý vrstvou selektivního zářiče z minerální látky - oxidu ytterbia (ytterbium, Yb, atomové číslo 70, na zemi řídce se vyskytující kov), který vyzařuje světlo s vysokým podílem ultrafialového záření (k maximu zářivého toku dochází přibližně u vlnové délky záření 1μm). Vnitřní povrch spalovací komory je obložený křemíkovými fotobuňkami o vysokém výkonu, které jsou schopné toto spektrum záření měnit na elektrický proud. V přizpůsobení spektra záření spektrální citlivosti fotobuněk (případně naopak) spočívá klíč ke zvýšení účinnosti přeměny.

Teoreticky je zde možné dosahovat účinností dokonce výrazně vyšších, než u klasické fotovoltaiky v oblasti daného spektra slunečního záření. Mezi zářičem a fotobuňkami je umístěný ochranný protitepelný filtr (infračervený) z taveného křemene. Je to proto, že nehledě na selektivnost záření zářiče má převážná část záření jen příliš malý obsah energie na to, aby mohla být v křemíkových fotobuňkách přeměněna. Nevyužité tepelné záření by fotobuňky naopak ohřívalo a značně snižovalo jejich účinnost. U ideálního filtru se proto požaduje vysoká propustnost využitelné části záření a současně vysoká odrazivost nevyužitelného dlouhovlnného záření - tj. vytváření selektivního spektra záření.

Zpětný odraz tepla na zářič navíc zvyšuje jeho teplotu. Závislost účinnosti přeměny na teplotě zářiče se však obecně považuje za problematickou, poněvadž s teplotou při spalování současně rostou i emise NO_x. Pomocí keramického hořáku se ale v rámci vývojového úkolu podařilo omezit výskyt NO_x na hodnotu, vyskytující se u běžného plynového hořáku (přibližně 60 mg/kWh).

Funkční schéma k vývojovému projektu

Výhled

Na přípravě vzorku vystaveného na ISH se v rámci vývojového úkolu společně podílely Paul-Schererův Institut TU v Zurichu, Zkušební laboratoř materiálu EMPA a firma Hoval. V další etapě má dojít ke zvýšení elektrického výkonu z 250 W na 1 kW. Podle A. Heeba, který je u firmy Hoval odpovědným pracovníkem vedení za úsek technologie, dojde též k optimalizaci zářiče, filtru a fotobuněk. Kromě toho budou prováděny zkoušky, zda by místo plynu nemohla být jako palivo použitelná také nafta. První výsledky pokusů ale ukázaly, že tato záměna není jednoduše řešitelná. Ať již bude výrobek na plyn nebo na naftu, lze jej prý na trhu očekávat nejdříve až za několik let.