新型热机少了重要的部件，热电效率反而优于传统的蒸汽轮机

新型热机少了重要的部件，热电效率反而优于传统的蒸汽轮机

麻省理工学院和国家可再生能源实验室（NREL）的工程师设计了一种没有移动部件的热机。他们的新演示表明，它将热能转化为电能的效率超过40%——这一性能优于传统蒸汽轮机。

安装在散热器上的热光伏（TPV）电池（尺寸1cm x 1cm），用于测量TPV电池效率。为了测量效率，将电池暴露于发射器并同时测量通过设备的电功率和热流。图片

热机是一种热光伏（TPV）电池，类似于太阳能电池板的光伏电池，它被动地从白热的热源中捕获高能光子并将其转化为电能。该团队的设计可以从1,900到2,400摄氏度或高达约4,300华氏度的热源发电。

研究人员计划将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，例如在阴天，TPV电池会将热量转化为电能，并将能量分配给电网。

有了新的TPV电池，该团队现在已经在单独的小规模实验中成功地展示了系统的主要部分。他们正在努力整合这些部件以展示一个完全可操作的系统。从那里，他们希望扩大系统规模，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电网。

热光伏电池是证明热电池是一个可行概念的最后关键一步，这是扩散可再生能源和实现完全脱碳电网道路上绝对关键的一步。

麻省理工学院机械工程系罗伯特·N·诺伊斯职业发展教授Asegun 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、Kevin Schulte、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的合作者。

跨越鸿沟

世界上超过90%的电力来自煤炭、天然气、核能和集中太阳能等热源。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。

平均而言，蒸汽轮机将大约35%的热源可靠地转化为电能，其中大约60%代表了迄今为止所有热机的最高效率。但是机器依赖于受温度限制的运动部件。高于2,000摄氏度的热源，例如亨利提出的热电池系统，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——没有运动部件的热机，它可能在更高的温度下有效地工作。

“固态能量转换器的优点之一是它们可以在更高的温度下以更低的维护成本运行，因为它们没有移动部件，”亨利说：“他们只是坐在那里可靠地发电。”

热光伏电池为固态热机提供了一条探索途径。与太阳能电池非常相似，TPV电池可以由具有特定带隙（材料的价带与其导带之间的间隙）的半导体材料制成。如果具有足够高能量的光子被材料吸收，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，创纪录的为32%，因为它们是由相对低带隙材料制成的，这些材料可以转换低温、低能量的光子，因此转换能量的效率较低。

捕捉光

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更高的带隙材料和多个结或材料层。

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，其下方是镜面状的金层。第一层捕获热源的最高能量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子反射，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——它产生的电量与它吸收的热量相比——如何随温度变化。在1,900至2,400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广泛温度范围内获得高效率，”亨利说。

实验中的细胞约为一平方厘米。对于电网规模的热电池系统，Henry设想TPV电池必须扩大到约10,000平方英尺（约四分之一足球场），并将在气候控制的仓库中运行，以从巨大的存储库中获取电力。太阳能。他指出，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，”亨利说：“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。”

本文原文来自X网站