安装在散热器上的热光电(TPV)电池(尺寸为1 cm x 1 cm ),用于测量TPV电池效率。为了测量效率，将电池暴露于发射器，同时测量通过该装置的电功率和热流。功劳:麻省理工学院和国家可再生能源实验室(NREL)的Felice Frankel工程师设计了一种没有运动部件的热机。他们的新演示表明，它将热能转化为电能的效率超过40%，这一性能优于传统的蒸汽涡轮机。热机是一种热光电(TPV)电池，类似于太阳能电池板的光伏电池，它被动地从白热热源捕捉高能光子，并将它们转化为电能。该团队的设计可以从1900到2400摄氏度，或高达约4300华氏度的热源中产生电能。
研究人员计划将TPV电池整合到网格级热电池中。该系统将从可再生资源如太阳中吸收多余的能量，并将这些能量储存在高度隔热的热石墨堆中。当需要能量时，例如在阴天，TPV电池会将热量转化为电能，并将能量输送到电网。
有了新的TPV细胞，该小组现在已经在单独的小规模实验中成功地展示了该系统的主要部分。他们正在努力整合各部分，以展示一个完全可操作的系统。在此基础上，他们希望扩大该系统的规模，以取代化石燃料驱动的发电厂，并实现完全脱碳的电网，完全由可再生能源供应。
“热光电电池是证明热电池是一个可行概念的最后关键一步，”麻省理工学院机械工程系罗伯特·n·诺伊斯职业发展教授阿塞贡·亨利说。“在推广可再生能源和实现完全脱碳的电网的道路上，这绝对是关键的一步。”
亨利和他的合作者今天在《自然》杂志上发表了他们的成果。麻省理工学院的合著者包括Alina LaPotin、Kevin Schulte、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf、福特工程教授兼机械工程系主任Evelyn Wang，以及科罗拉多州戈尔登NREL的合作者。
跨越鸿沟
世界上90%以上的电力来自热源，如煤、天然气、核能和集中太阳能。一个世纪以来，蒸汽涡轮机一直是将这种热源转化为电力的工业标准。
平均而言，蒸汽轮机可靠地将大约35%的热源转化为电能，其中大约60%代表了迄今为止任何热机的最高效率。但是这种机器依赖于受温度限制的运动部件。高于2000摄氏度的热源，如亨利提出的热电池系统，对涡轮机来说太热了。
近年来，科学家们一直在研究固态替代品——没有移动部件的热机，它可能在更高的温度下有效工作。
“固态能源转换器的优势之一是，它们可以在更高的温度下运行，维护成本更低，因为它们没有移动部件，”亨利说。“它们只是坐在那里，可靠地发电。”
热光电电池为固态热机提供了一条探索之路。很像太阳能电池，TPV电池可以由具有特定带隙的半导体材料制成，带隙是材料的价带和导带之间的间隙。如果一个具有足够高能量的光子被材料吸收，它可以将一个电子踢过带隙，然后电子可以导电，从而发电——这样做不需要移动转子或叶片。
迄今为止，大多数TPV电池的效率仅达到20%左右，最高纪录为32%，因为它们是由相对低带隙的材料制成的，这些材料转换低温、低能量的光子，因此转换能量的效率较低。
捕捉光线
在他们的新TPV设计中，亨利和他的同事们试图从更高温度的热源中捕捉更高能量的光子，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了更高带隙的材料和多结或材料层。
这种电池由三个主要区域构成:高带隙合金，位于稍低带隙合金之上，下面是一层镜面般的金。第一层捕获热源的最高能量光子并将其转化为电能，而穿过第一层的较低能量光子被第二层捕获并转化为产生的电压。任何穿过第二层的光子都被镜子反射回热源，而不是作为废热被吸收。
该团队通过将电池放在热流传感器上来测试电池的效率，热流传感器是一种直接测量电池吸收的热量的设备。他们将细胞暴露在高温灯下，然后将光线集中到细胞上。然后，他们改变灯泡的强度或温度，观察电池的功率效率(产生的功率与吸收的热量之比)如何随温度变化。在1900到2400摄氏度的温度范围内，新的TPV电池的效率保持在40%左右。
“我们可以在与热电池相关的较宽温度范围内获得高效率，”亨利说。
实验中的细胞大约是一平方厘米。对于电网规模的热电池系统，亨利设想TPV电池必须扩大到约10，000平方英尺(约四分之一个足球场)，并将在气候控制仓库中运行，从巨大的太阳能储存库中获取电力。他指出，现在已经有了制造大规模光伏电池的基础设施，这种电池也可以用来制造TPV。
“就可持续性而言，这绝对是一个巨大的净收益，”亨利说。“这项技术是安全的，在其生命周期中对环境无害，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。”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
