将热光伏发电效率提到40%，MIT新研究登上Nature

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将热光伏发电效率提到40%，MIT新研究登上Nature

2022 年 4 月 21 日 机器之心

选自MIT News

机器之心编译

麻省理工学院（MIT）和美国国家可再生能源实验室 (NREL) 设计出一种新的热光伏 (TPV) 电池，能以超过 40% 的效率将热能转化为电能，优于传统蒸汽轮机。该研究登上了 Nature。

这种类似于太阳能电池板的热光伏电池被动地从白热的热源中捕获高能光子并将其转化为电能，用来发电的热源温度可高达 1900~2400 摄氏度。

研究人员计划将这种 TPV 电池整合到电网规模的热电池中。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），TPV 电池会将热量转化为电能，并将能量分配给电网。

借助新的 TPV 电池，该团队现已在单独的小规模实验中成功展示了系统的主要部分。目前他们正在努力将这些部件整合起来，然后展示一个完全可操作的系统。他们希望后续能扩大该系统以取代化石燃料驱动的发电厂，并实现完全由可再生能源供电的完全脱碳的电网。

麻省理工学院机械工程系教授 Asegun Henry 说：「热光伏电池是证明『热电池是可行概念』的最后也是关键的一步。」，「这是在推广可再生能源和实现完全脱碳电网的道路上绝对关键的一步。」

Henry 和他的合作者在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。麻省理工学院的合著者包括 Alina LaPotin、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf 和福特工程学教授兼机械工程系主任 Evelyn Wang，以及位于科罗拉多州戈尔登市的 NREL 的 Kevin Schulte 和其他成员。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

跨越鸿沟

世界上超过 90% 的电力来自煤炭、天然气、核能和聚光太阳能等热源。一个世纪以来，蒸汽轮机一直是将此类热源转化为电能的工业标准方法。

平均而言，蒸汽轮机将大约 35% 的热源可靠地转化为电能，迄今为止所有热机的最高效率大约是 60% 。但这些机器依赖于受温度限制的运动部件。高于 2000 摄氏度的热源，例如 Henry 等人提出的热电池系统，对于涡轮机来说太热了。

近年来，科学家们一直在研究固态替代品——无可运动部件的发电设备，来在更高的温度下有效地工作。

Henry 说，「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部件。」，「他们只是被安置在那里可靠地发电。」

热光伏电池为固态发电设备提供了一条探索途径。就像太阳能电池一样，TPV 电池可以由具有特定带隙（材料的价带和导带之间的间隙）的半导体材料制成。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。这样做无需转子或叶片。

迄今为止，大多数 TPV 电池的效率仅达到 20% 左右，最高纪录是 32%。这些电池是由相对低带隙的材料制成的，而这些材料转换的是低温、低能量的光子，因此转换能量的效率较低.

捕获光

在他们新的 TPV 设计中，Henry 和他的同事希望从更高温度的热源中捕获更高能量的光子，从而更有效地转换能量。与现有的 TPV 设计相比，该团队的新电池采用带隙更高的，和有多个结或材料层的材料。

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。

该团队通过将电池放置在热通量传感器上来测试电池的效率，该传感器直接测量从电池吸收的热量。他们将电池暴露在高温灯下，并将光集中在电池上。然后，他们改变了灯泡的强度或温度，并观察了电池的功率效率（它产生的电量与其吸收的热量相比如何随温度变化）。在 1900 至 2400 摄氏度的温度范围内，新型 TPV 电池的效率保持在 40% 左右。

「我们可以在与热电池相关的温度范围内获得高效率。」Henry 说。

实验中的电池约为一平方厘米。对于电网规模的热电池系统，Henry 设想 TPV 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。他指出，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。

「就可持续性而言，这里肯定有一个巨大的净积极因素，」Henry 说。「该技术在其生命周期内是安全的、对环境无害的，并且可以对减少电力生产中的二氧化碳排放产生巨大影响。」

原文链接：https://news.mit.edu/2022/thermal-heat-engine-0413