الفوتونيات الحرارية

تُعدّ تقنية الفوتونات الحرارية ( TPX ) مفهومًا لتوليد طاقة قابلة للاستخدام من الحرارة، وهي تشترك في بعض خصائص توليد الطاقة الكهروضوئية الحرارية (TPV). وقد اقترح الباحث في مجال الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مارتن غرين، هذه التقنية لأول مرة عام 2000. ومع ذلك، لم يُعرف حتى الآن أي جهاز يعمل بتقنية TPX، ويعود ذلك على ما يبدو إلى المتطلبات الصارمة لكفاءة الباعث.

يتكون نظام TPX من صمام ثنائي باعث للضوء (LED) (مع إمكانية استخدام أنواع أخرى من الباعثات)، وخلية كهروضوئية (PV)، ووصلة ضوئية بينهما، ودائرة تحكم إلكترونية. يُسخّن الصمام الثنائي الباعث للضوء إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الخلية الكهروضوئية بواسطة مصدر حرارة خارجي. في حال عدم تزويد الصمام الثنائي الباعث للضوء بالطاقة، يعمل النظام بشكل مشابه لنظام TPV منخفض الكفاءة، ولكن عند تطبيق انحياز أمامي عند جزء من جهد فجوة النطاق، يزداد عدد أزواج الإلكترون-فجوة (EHPs) التي تُثار حراريًا إلى طاقة فجوة النطاق. يمكن لهذه الأزواج أن تتحد إشعاعيًا، مما يؤدي إلى انبعاث ضوء من الصمام الثنائي الباعث للضوء بمعدل أعلى من معدل الإشعاع الحراري ("انبعاث فوق حراري"). يُنقل هذا الضوء بعد ذلك إلى الخلية الكهروضوئية الأبرد عبر الوصلة الضوئية ويُحوّل إلى كهرباء.

تُقدّم دائرة التحكم حملاً للخلية الكهروضوئية (على الأرجح عند نقطة القدرة القصوى ) وتحوّل هذا الجهد إلى مستوى جهد يُمكن استخدامه للحفاظ على انحياز الباعث. وبافتراض أن كفاءة تحويل الكهرباء إلى ضوء والضوء إلى كهرباء عالية بما يكفي، فإن الطاقة المُستخرجة من الخلية الكهروضوئية يُمكن أن تتجاوز الطاقة الداخلة إلى دائرة الانحياز، ويُمكن استغلال هذا الجزء الضئيل من الطاقة الزائدة (الناتج عن فرق الحرارة). وبالتالي، يُمكن اعتبارها، من بعض النواحي، محركًا حراريًا ضوئيًا .

تشمل التطبيقات المحتملة للمولدات الكهروضوئية توليد الكهرباء الحرارية الشمسية واستخدام الحرارة المهدرة . قد تمتلك أنظمة TPX القدرة على توليد الطاقة بمستويات إنتاج مفيدة عند درجات حرارة لا تُجدي فيها حاليًا إلا الأنظمة الكهروحرارية ، ولكن بكفاءة أعلى.

نشر مكتب براءات الاختراع الأمريكي في عام 2009 طلب براءة اختراع لمولد ضوئي حراري يستخدم فجوة فراغية بسماكة ميكرومتر أو أقل، وتم منحها لشركة MTPV Corporation في أوستن، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية. يتيح هذا التصميم المقترح من التقنية عزلًا حراريًا أفضل بفضل الفجوة بين الباعث الساخن والمستقبل البارد، مع الحفاظ على اقتران بصري جيد نسبيًا بينهما نظرًا لصغر حجم الفجوة مقارنةً بالطول الموجي الضوئي.

• طلب براءة اختراع أمريكية رقم 20090188549: طريقة وجهاز لتحسين توليد الكهرباء باستخدام تقنية الفوتونات الحرارية
• غرين، مارتن أ. (مايو 2000). "الجيل الثالث من الخلايا الكهروضوئية: هياكل متطورة قادرة على تحقيق كفاءة عالية بتكلفة منخفضة". وقائع المؤتمر الأوروبي السادس عشر للطاقة الشمسية الكهروضوئية . غلاسكو، اسكتلندا. ص  51.

• هاردر، نيلز-ب.؛ مارتن أ. غرين (2003). "الضوئيات الحرارية". علم وتكنولوجيا أشباه الموصلات . 18 (5): S270– S278. Bibcode : 2003SeScT..18S.270H . doi : 10.1088/0268-1242/18/5/319 .

• توبياس، آي.؛ أ. لوك (2002). "الكفاءة المثلى وإمكانات محولات الطاقة الشمسية الحرارية الضوئية في ظل تدفق طاقة مركز بصريًا وحراريًا". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 49 (11). IEEE: 2024-2030 . Bibcode : 2002ITED...49.2024T . doi : 10.1109/TED.2002.804731 .