Южноамериканский инженер-ядерщик Лонни Джонсон (Lonnie Johnson) прославился в массах изобретением сверхмощного водяного пистолета Super Soaker, ставшего самой продаваемой игрушкой в США сначала 1990-х (раскуплены 10-ки миллионов штук). Сейчас же он утверждает, что нашёл уникальный метод конверсии солнечного света в электричество с эффективностью 60% и поболее!
Джонсон и его компания Johnson Electro Mechanical Systems разработали "Термоэлектрическую систему конверсии энергии Джонсона" (Johnson Thermoelectric Energy Conversion System — JTEC), представляющую собой новый тип генератора электричества.В самых общих чертах принцип его работы припоминает схему деяния водородного топливного элемента. Но только припоминает. Ни необходимости питания водородом снаружи, ни надобности в доступе воздуха (кислорода), ни водяного пара на выходе — здесь нет.
Так может смотреться готовая ячейка JTEC. 1-ый шаг её разработки финансировал южноамериканский государственный научный фонд (NSF) (иллюстрация Johnson Electro Mechanical Systems).
В базе JTEC лежит мультислойный сандвич из электродов и протонообменной мембраны (membrane-electrode assemblies — MEA). Точнее, таких наборов здесь два: низковато— и высокотемпературный. 1-ый охлаждается окружающим воздухом, а 2-ой, напротив, подставлен под горячие лучи от зеркала-концентратора.
Их совместное действие припоминает работу ДВС либо даже стирлинга — низкотемпературный сандвич MEA играет роль компрессора, а высокотемпературный — расширительной машины, отвечающей за такт рабочего хода. Только самого "хода" тут нет совсем.
Заместо того чтоб использовать разницу температур для расширения газа и привода в движение поршня (либо турбины) в новеньком агрегате разница температур (и давлений в камерах) вызывает перемещение ионов водорода через мембрану.
Так что нет здесь ни передвигающихся частей, как в опытнейших установках зеркало-концентратор-стирлинг, ни выработки нового водорода из воды (для следующего направления в топливный элемент), как в проекте генератора с жаркими подвижными кольцами либо в более необычном фотохимическом конверторе.
Более детально работа JTEC смотрится так.
Схема JTEC. Цифрами отмечены камеры: 1 — низкого и 2 — высочайшего давления низкотемпературного блока MEA, 3 —высочайшего и 4 — низкого давления высокотемпературного блока. Меж ними виден теплообменник. Светло-зелёным цветом показаны протонообменные мембраны, тёмно-зелёным — электроды. Зелёные волны – потоки тепла (иллюстрация Johnson Electro Mechanical Systems).
Поначалу на прибор, на его низкотемпературный блок, подаётся наружное напряжение (как будто искра в бензиновом ДВС). Оно вызывает ионизацию водорода и диффузию ионов через мембрану в камеру высочайшего давления, откуда, за ранее соединившись с электронами, обежавшими внешнюю цепь подпитки, атомы водорода попадают в раскалённую камеру высокотемпературного элемента. Тут за их ионизацию отвечает нагрев электрода солнечными лучами.
Отдав собственный электрон, сейчас уже опять ионы водорода передвигаются через вторую мембрану благодаря разнице давлений по обе её стороны. После мембраны ионы попадают на очередной электрод, получают свои же электроны назад (сейчас уже — обежавшие цепь нагрузки) и отправляются опять в прохладную часть устройства, стопроцентно замыкая цикл.
Обе части прибора — прохладная и жгучая — соединены каналами, образующими теплообменник на встречных потоках — так увеличивается эффективность "мотора".
Выход энергии на втором сандвиче оказывается намного выше издержек на работу прохладной части прибора, так что в JTEC солнечный свет фактически впрямую преобразуется в электричество без всякого расхода водорода (он бегает по кругу) и без передвигающихся частей в конструкции.
Таким макаром, JTEC оказывается очень идентичен в работе с термодинамическими движками. Изобретатель уточняет — с движком с циклом Эрикссона, обеспечивающим очень вероятный при данной разнице температур КПД. Только заместо перемещения огромных объёмов того либо другого рабочего тела здесь задействовано перемещение отдельных атомов и ионов водорода (ионный ток).
Объединив свои усилия с Хешматом Агланом (Heshmat Aglan), доктором машиностроения в институте Таскиги (Tuskegee University), Лонни хочет в течение года выстроить опытнейший эталон JTEC, рассчитанный на нагрев до 200 градусов.
На данный момент Аглан и Джонсон работают с высокотемпературными протонообменными мембранами, выполненными из керамики шириной в микроны. Цель — сделать устройство, работающее при куда более больших температурах. Так, при усвоении различия температур в 600 градусов (которую без заморочек могут поставить зеркала-концентраторы) теоретический КПД установки составит порядка 60%, а при 800 градусах (также вероятных в фокусе параболического зеркала) — приметно выше.
И хотя эти 60% были высчитаны, исходя из безупречного цикла Карно, создатель необыкновенного устройства утверждает, что оно благодаря собственной конструкции способно близко подойти к этому лимиту.
Что принципиально, новый генератор просто масштабируется и может быть выполнен в широчайшем спектре размеров и мощностей: от микроскопичных устройств для микроэлектромеханических систем до промышленных установок на мегаватты выходной мощности. Не считая того, JTEC можно отрядить на высокоэффективный сбор и преобразование бросового тепла от огромных ДВС и турбин.
Когда в металле появится промышленная система JTEC первого поколения (воспринимающая 600 градусов на входе) — сказать трудно. Но, согласитесь, это роскошное изобретение должно, само мало, наделать много шума в научных и технических кругах, а, может быть, и революционизировать энергетику.
ужс я даже не могу представить как это больно 