麻省理工學院（MIT）和美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 設計出一種新的熱光伏 (TPV) 電池，能以超過 40% 的效率將熱能轉化為電能，優於傳統蒸汽輪機。該研究登上了 Nature。
這種類似於太陽能電池板的熱光伏電池被動地從白熱的熱源中捕獲高能光子並將其轉化為電能，用來發電的熱源溫度可高達 1900~2400 攝氏度。
研究人員計劃將這種 TPV 電池整合到電網規模的熱電池中。該系統將從太陽能等可再生能源中吸收多餘的能量，並將這些能量儲存在高度絕緣的熱石墨庫中。當需要能量時（例如陰天時），TPV 電池會將熱量轉化為電能，並將能量分配給電網。藉助新的 TPV 電池，該團隊現已在單獨的小規模實驗中成功展示了系統的主要部分。目前他們正在努力將這些部件整合起來，然後展示一個完全可操作的系統。他們希望後續能擴大該系統以取代化石燃料驅動的發電廠，並實現完全由可再生能源供電的完全脫碳的電網。麻省理工學院機械工程系教授 Asegun Henry 說：「熱光伏電池是證明『熱電池是可行概念』的最後也是關鍵的一步。」 ，「這是在推廣可再生能源和實現完全脫碳電網的道路上絕對關鍵的一步。」Henry 和他的合作者在《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。麻省理工學院的合著者包括 Alina LaPotin、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf 和福特工程學教授兼機械工程系主任 Evelyn Wang，以及位於科羅拉多州戈爾登市的 NREL 的 Kevin Schulte 和其他成員。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y世界上超過 90% 的電力來自煤炭、天然氣、核能和聚光太陽能等熱源。一個世紀以來，蒸汽輪機一直是將此類熱源轉化為電能的工業標準方法。平均而言，蒸汽輪機將大約 35% 的熱源可靠地轉化為電能，迄今為止所有熱機的最高效率大約是 60% 。但這些機器依賴於受溫度限制的運動部件。高於 2000 攝氏度的熱源，例如 Henry 等人提出的熱電池系統，對於渦輪機來說太熱了。近年來，科學家們一直在研究固態替代品——無可運動部件的發電設備，來在更高的溫度下有效地工作。Henry 說，「固態能量轉換器的一個優點是它們可以在更高的溫度下以更低的維護成本運行，因為它們沒有可移動部件。」，「他們只是被安置在那裡可靠地發電。」熱光伏電池為固態發電設備提供了一條探索途徑。就像太陽能電池一樣，TPV 電池可以由具有特定帶隙（材料的價帶和導帶之間的間隙）的半導體材料製成。如果一個能量足夠高的光子被材料吸收，它可以將電子踢過帶隙，然後電子可以在帶隙中傳導，從而發電。這樣做無需轉子或葉片。迄今為止，大多數 TPV 電池的效率僅達到 20% 左右，最高紀錄是 32%。這些電池是由相對低帶隙的材料製成的，而這些材料轉換的是低溫、低能量的光子，因此轉換能量的效率較低.在他們新的 TPV 設計中，Henry 和他的同事希望從更高溫度的熱源中捕獲更高能量的光子，從而更有效地轉換能量。與現有的 TPV 設計相比，該團隊的新電池採用帶隙更高的，和有多個結或材料層的材料。該電池由三個主要區域製成：高帶隙合金位於帶隙稍低的合金之上，最下層是鏡面狀的一層金。第一層捕獲熱源中最高能量的光子並將它們轉換為電能，而穿過第一層的低能量光子被第二層捕獲並轉換以增加產生的電壓。任何穿過第二層的光子都會被鏡面反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。
該團隊通過將電池放置在熱通量傳感器上來測試電池的效率，該傳感器直接測量從電池吸收的熱量。他們將電池暴露在高溫燈下，並將光集中在電池上。然後，他們改變了燈泡的強度或溫度，並觀察了電池的功率效率（它產生的電量與其吸收的熱量相比如何隨溫度變化）。在 1900 至 2400 攝氏度的溫度範圍內，新型 TPV 電池的效率保持在 40% 左右。「我們可以在與熱電池相關的溫度範圍內獲得高效率。」Henry 說。實驗中的電池約為一平方厘米。對於電網規模的熱電池系統，Henry 設想 TPV 電池必須擴大到約 10000 平方英尺（約四分之一個足球場），並將在溫度受控的倉庫中運行，以從巨大的太陽能存儲庫中獲取電力。他指出，現在已經存在用於製造大型光伏電池的基礎設施，該基礎設施也可用於製造 TPV。「就可持續性而言，這裡肯定有一個巨大的淨積極因素，」Henry 說。「該技術在其生命周期內是安全的、對環境無害的，並且可以對減少電力生產中的二氧化碳排放產生巨大影響。」原文鏈接：https://news.mit.edu/2022/thermal-heat-engine-0413
©THE END
轉載請聯繫本公眾號獲得授權
投稿或尋求報道：content@jiqizhixin.com
留言列表
留言列表