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新型热光伏电池发电效率可达40%,未来零碳电网有望实现

来自麻省理工学院和美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究团队近日成功开发出一种新型热光伏(TPV)电池,能够比传统蒸汽涡轮机更有效地将热量转化为电能。研究人员计划将这种热光伏电池整合到电网规模的热电池中,或将影响未来的发电站和电网储能。

该研究成果发表在著名科学期刊《自然》(Nature)杂志上。热光伏(TPV)类似于太阳能电池板,主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能,并且可以实现能量存储和转换。该系统将从太阳能等可再生能源中吸收多余的能量,并将这些能量储存在高度绝缘的热石墨库中。当需要能量时(例如阴天时),热光伏电池会将热量转化为电能,并将能量分配给电网。

目前,全球的电力大多来自燃烧煤炭或天然气、核裂变和聚光太阳能等热源,再通过蒸汽涡轮机将热能转化为电能。该技术已应用了一个多世纪,具有优势的同时也存在局限性。平均而言,蒸汽涡轮机仅能将热源的35%转化为电能,迄今能达到的最高效率水平也只有60%。此外,蒸汽涡轮机的主要活动部件必须在一定温度阈值下运行。近年来,科学家们一直在研究无活动部件的固态发电设备作为替代,以在更高的温度下进行工作。“固态能量转换器的一个优点是它们可以在更高的温度下以更低的维护成本运行,因为它们没有可移动的部件。”麻省理工学院机械工程系教授、该项目的研究人员之一Asegun Henry说道,“他们只是被安置在那里可靠地发电。”

此次研发的新型热光伏电池由具有特定带隙(材料的价带和导带之间的间隙)的半导体材料制成。与原有的热光伏电池不同的是,该团队采用了带隙更高、有多个结或材料层的材料。如果一个能量足够高的光子被材料吸收,它可以将电子踢过带隙,然后电子可以在带隙中传导,从而发电。

该电池由三个主要区域制成:高带隙合金位于带隙稍低的合金之上,最下层是镜面状的一层金。第一层捕获热源中最高能量的光子并将它们转换为电能,而穿过第一层的低能量光子被第二层捕获并转换以增加产生的电压。任何穿过第二层的光子都会被镜面反射,回到热源,而不是作为废热被吸收。

正因如此,该电池可以从更高温度的热源获得更高能量的光子。在高达1900度-2400度的热通量传感器测试中,新型热光伏电池保持了40%左右的效率。早期的热光伏电池平均效率约为20%,此前效率最高的记录也仅达到32%。原因在于这些电池由相对低带隙的材料制成,转换的是低温、低能量的光子,所以转换能量效率较低。研究人员称,“TPV达到40%的效率是值得注意的,这使TPV成为了一种可以与涡轮机竞争的热机技术。40%的效率已经高于美国基于涡轮机的热机的平均效率,TPV比涡轮机更具优势的是其成本更低、响应时间更快的潜力、维护简单、易于与外部热源集成以及燃料灵活性。”

这种新型TPV技术可以在“适合天然气或氢燃烧”的温度范围内运行,为下一代低排放发电厂的前景带来了希望。

研究团队正在努力将小规模实验中的部件整合成一个完全可操作的系统。目前,实验中的电池仅为一平方厘米。据Henry设想,要达成电网规模的热光伏电池系统,电池必须扩大到约10000平方英尺(约四分之一个足球场),并将在温度受控的仓库中运行,以从巨大的太阳能存储库中获取电力。

Henry指出,现在已经存在用于制造大型光伏电池的基础设施,该基础设施也可用于制造TPV。他们希望未来热光伏电池系统可以取代由化石燃料驱动的发电厂,实现完全由可再生能源供电的脱碳化电网。

“热光伏电池是证明热电池是可行概念的最后一步。这是推广可再生能源和实现完全脱碳化电网道路上的绝对关键一步。”Henry表示。

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