以40%效率從熱量中捕獲光，NREL在熱光伏領(lǐng)域取得突破

長期以來，美國可再生能源實(shí)驗室（以下簡稱NREL）致力于開發(fā)創(chuàng)紀(jì)錄的太陽能電池，將太陽能轉(zhuǎn)化為其它形式的能。然而，太陽并不是光伏材料可以捕獲的唯一能量源，熱輻射的物體也可以發(fā)光——電磁波波長較長，能量較低——而熱光伏電池（TPV）是捕獲這種能量的優(yōu)化電池。

近日，NREL開發(fā)了一種新型光伏電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此前TPV創(chuàng)下的世界紀(jì)錄。該電池的開發(fā)初心是與麻省理工學(xué)院（以下簡稱MIT）合作證明電能存儲概念，研究成果已發(fā)表在期刊《Nature》上。此外，當(dāng)環(huán)境溫度加熱到2400 ℃，這個創(chuàng)紀(jì)錄電池的效率達(dá)到最高值41.1%（±1%），而在一定溫度范圍內(nèi)，其平均效率為36.2%。

熱光伏(TPV)主要通過光伏效應(yīng)將紅外波長的光轉(zhuǎn)換為電能，并且可以實(shí)現(xiàn)能量存儲和轉(zhuǎn)換的方法。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(dāng)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)。

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(jì)以來，蒸汽輪機(jī)一直是將此類熱源轉(zhuǎn)化為電能的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。平均而言，蒸汽輪機(jī)將大約 35% 的熱源可靠地轉(zhuǎn)化為電能，迄今為止所有熱機(jī)的最高效率大約是 60% 。但這些機(jī)器依賴于受溫度限制的運(yùn)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(jī)來說太熱了。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(dǎo)帶之間的間隙）的半導(dǎo)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(dǎo)，從而發(fā)電。這樣做無需轉(zhuǎn)子或葉片。

光捕捉

新的 TPV 設(shè)計中，研究團(tuán)隊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(tuán)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(tuán)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?zé)粝?，并將光集中在電池上。然后，他們改變了燈泡的?qiáng)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。

實(shí)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(kuò)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(yùn)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。

研究人員表示，如果使用更好的反射器，這些設(shè)備的效率可以提高到 50% 以上。2020 年，另一組研究中的反射器達(dá)到了 98% 以上的反射率?？茖W(xué)家們說，將這種反射器與新的熱光伏相結(jié)合，在 2,250°C 時的效率可超過 56%，或在 1,900 至 2,400°C 范圍內(nèi)的平均效率超過 51%。

應(yīng)用前景

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(dāng)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)。

TPV電池的1.4/1.2?eV和1.2/1.0?eV串聯(lián)器件，針對熱能網(wǎng)格存儲(TEGS)應(yīng)用的1900–2400?°C發(fā)射器溫度范圍進(jìn)行了優(yōu)化。TEGS是一種低成本的電網(wǎng)規(guī)模儲能技術(shù)，它使用TPV將熱量轉(zhuǎn)換為高于2000°C的電能，這是渦輪機(jī)無法達(dá)到的狀態(tài)。它是一種電池，可以吸收電能，將其轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崃浚瑑Υ鏌崃?，然后通過TPV按需將其轉(zhuǎn)換回電能。盡管TEGS最初是用熔融硅存儲介質(zhì)構(gòu)想的，但石墨存儲介質(zhì)的成本更低（每公斤0.5美元），預(yù)計每單位能源的資本成本（CPE）不到每千瓦時10美元。這個成本非常低，它將使TEGS能夠滿足長期儲能的擬議成本目標(biāo)（<20美元/千瓦時），這將使可再生能源與化石燃料具有成本競爭力。

TEGS的普及最終可以減少約40%的全球二氧化碳排放量，方法是使電網(wǎng)脫碳（約25%的排放量），然后讓無二氧化碳的電力為運(yùn)輸部門的車輛充電（約15%的排放量）。達(dá)到40%的TPV效率是值得注意的，因為這意味著TEGS以及一系列其他潛在應(yīng)用現(xiàn)在是可行的。這些應(yīng)用包括其他儲能技術(shù)、天然氣、丙烷或氫燃料發(fā)電以及高溫工業(yè)廢熱回收。

TPV 的另一個選擇是將它們與氫燃料技術(shù)相結(jié)合。在這種情況下，TPV 相對于渦輪機(jī)的一些優(yōu)勢包括成本更低、響應(yīng)時間更快、維護(hù)成本低、燃料靈活性以及在較小的發(fā)電規(guī)模（大約 10 兆瓦）下具有成本效益的能力。

該團(tuán)隊現(xiàn)在計劃在熱電池原型系統(tǒng)和試點(diǎn)演示中測試其電池。他們還希望通過將它們反射的不可用輻射的比例提高到 97-98%，進(jìn)一步將電池的效率提高到 50%。

就可持續(xù)性而言，這個技術(shù)是一個巨大的凈積極因素，它在其生命周期內(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，這是在推廣可再生能源和實(shí)現(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的道路上絕對關(guān)鍵的一步。

研發(fā)之路

美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)2014年初就宣布，開發(fā)出了將太陽能轉(zhuǎn)換成電力的新方法。叫做熱光伏(thermophotovoltaic：TPV)發(fā)電的技術(shù)。

TPV發(fā)電的設(shè)想是，將可見光等來自太陽的電磁波全部轉(zhuǎn)換成熱量，然后經(jīng)由叫作“發(fā)射極”(Emitter)的固體元件將這些熱量轉(zhuǎn)換成特定波長的光，最后利用普通的太陽能電池接收這些光并轉(zhuǎn)換成電力。作為提高太陽能電池發(fā)電效率的技術(shù)，有關(guān)方面正在研究只將紫外線和紅外線轉(zhuǎn)換成可見光的波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，TPV可說是其中的一種，不過TPV不同于其他技術(shù)的是，也對可見光進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換。

當(dāng)時的太陽能電池只能將支持太陽能電池帶隙的特定波長附近的光能轉(zhuǎn)換成電力。而TPV發(fā)電有望利用幾乎所有的太陽光能，因此“在理想情況下，可實(shí)現(xiàn)80％以上的轉(zhuǎn)換效率”(MIT)。 來源：友綠智庫