將熱光伏發(fā)電效率提到40％，MIT新研究登上Nature

麻省理工學院（MIT）和美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 設(shè)計出一種新的熱光伏 (TPV) 電池，能以超過 40% 的效率將熱能轉(zhuǎn)化為電能，優(yōu)于傳統(tǒng)蒸汽輪機。該研究登上了 NATURE。

這種類似于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并將其轉(zhuǎn)化為電能，用來發(fā)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(wǎng)規(guī)模的熱電池中。該系統(tǒng)將從太陽能等可再生能源中吸收多余的能量，并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(zhuǎn)化為電能，并將能量分配給電網(wǎng)。

借助新的 TPV 電池，該團隊現(xiàn)已在單獨的小規(guī)模實驗中成功展示了系統(tǒng)的主要部分。目前他們正在努力將這些部件整合起來，然后展示一個完全可操作的系統(tǒng)。他們希望后續(xù)能擴大該系統(tǒng)以取代化石燃料驅(qū)動的發(fā)電廠，并實現(xiàn)完全由可再生能源供電的完全脫碳的電網(wǎng)。

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』的最后也是關(guān)鍵的一步?！?，「這是在推廣可再生能源和實現(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的道路上絕對關(guān)鍵的一步?！?/p>

HENRY 和他的合作者在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)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，以及位于科羅拉多州戈爾登市的 NREL 的 KEVIN SCHULTE 和其他成員。

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(zhuǎn)化為電能的工業(yè)標準方法。

平均而言，蒸汽輪機將大約 35% 的熱源可靠地轉(zhuǎn)化為電能，迄今為止所有熱機的最高效率大約是 60% 。但這些機器依賴于受溫度限制的運動部件。高于 2000 攝氏度的熱源，例如 HENRY 等人提出的熱電池系統(tǒng)，對于渦輪機來說太熱了。

近年來，科學家們一直在研究固態(tài)替代品――無可運動部件的發(fā)電設(shè)備，來在更高的溫度下有效地工作。

HENRY 說，「固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的一個優(yōu)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?！梗杆麄冎皇潜话仓迷谀抢锟煽康匕l(fā)電。」

熱光伏電池為固態(tài)發(fā)電設(shè)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）的半導體材料制成。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，然后電子可以在帶隙中傳導，從而發(fā)電。這樣做無需轉(zhuǎn)子或葉片。

迄今為止，大多數(shù) 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制成的，而這些材料轉(zhuǎn)換的是低溫、低能量的光子，因此轉(zhuǎn)換能量的效率較低.

在他們新的 TPV 設(shè)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(zhuǎn)換能量。與現(xiàn)有的 TPV 設(shè)計相比，該團隊的新電池采用帶隙更高的，和有多個結(jié)或材料層的材料。

該電池由三個主要區(qū)域制成：高帶隙合金位于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并將它們轉(zhuǎn)換為電能，而穿過第一層的低能量光子被第二層捕獲并轉(zhuǎn)換以增加產(chǎn)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，并將光集中在電池上。然后，他們改變了燈泡的強度或溫度，并觀察了電池的功率效率（它產(chǎn)生的電量與其吸收的熱量相比如何隨溫度變化）。在 1900 至 2400 攝氏度的溫度范圍內(nèi)，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(guān)的溫度范圍內(nèi)獲得高效率?！笻ENRY 說。

實驗中的電池約為一平方厘米。對于電網(wǎng)規(guī)模的熱電池系統(tǒng)，HENRY 設(shè)想 TPV 電池必須擴大到約 10000 平方英尺（約四分之一個足球場），并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(xiàn)在已經(jīng)存在用于制造大型光伏電池的基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施也可用于制造 TPV。

「就可持續(xù)性而言，這里肯定有一個巨大的凈積極因素，」HENRY 說。「該技術(shù)在其生命周期內(nèi)是安全的、對環(huán)境無害的，并且可以對減少電力生產(chǎn)中的二氧化碳排放產(chǎn)生巨大影響?！?/p>