美國國家可再生能源實驗室和麻省理工學院工程師開發出一種沒有運動部件的熱機，其效率堪比蒸汽輪機。圖片來源：費利斯·弗蘭克爾
科技日報記者 張夢然
據英國《自然》雜志近日發表的一項研究，美國國家可再生能源實驗室和麻省理工學院工程師設計了一種沒有運動部件的熱機。演示表明，它以超過40%的效率將熱能轉化為電能，這一性能優于傳統蒸汽輪機。
熱機是一種熱光伏（TPV）電池，類似于太陽能電池板的光伏電池。研究人員計劃將TPV電池整合到電網規模的熱電池中。該系統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。當需要能量時，例如在陰天，TPV電池會將熱量轉化為電能，并將能量分配給電網。
“TPV電池是證明熱電池成為可行概念的最后一個關鍵步驟。”麻省理工學院機械工程系教授阿塞根·亨利說，這是在推廣可再生能源和實現完全脫碳電網的道路上至關重要的一步。
近年來，科學家們一直在研究固態能量轉換器。科學家認為，固態能量轉換器的一個優點是它們可在更高溫度下以更低的維護成本運行，因為它們沒有運動部件。
TPV電池為固態熱機提供了一條探索途徑。就像太陽能電池一樣，TPV電池可由具有特定帶隙的半導體材料制成。但迄今為止，大多數TPV電池的效率僅達到20%左右，最高的也僅為32%。
在新的TPV設計中，亨利及其同事希望從更高溫度的熱源中捕獲更高能量的光子，從而更有效地轉換能量。與現有的TPV設計相比，該團隊的新電池采用更高的帶隙材料和多個結或材料層。
該電池由三個主要區域制成：高帶隙合金位于帶隙稍低的合金之上，其下方是鏡面狀的金層。第一層捕獲熱源的最高能量光子并將它們轉換為電能，而穿過第一層的低能量光子被第二層捕獲并轉換以增加產生的電壓。任何穿過第二層的光子都會被鏡子反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。
研究團隊將電池暴露在高溫燈下，并將光集中在電池上。然后，他們改變了燈泡的強度或溫度，并觀察了電池的功率效率如何隨溫度變化。在1900℃至2400℃的溫度范圍內，新型TPV電池的效率保持在40%左右。
實驗電池約為一平方厘米。對于電網規模的熱電池系統，研究人員設想TPV電池必須擴大到約900平方米。
亨利表示，該技術在其生命周期內是安全的、對環境無害的，并且可對減少電力生產中的二氧化碳排放產生巨大影響。
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