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新型熱機效率堪比蒸汽輪機有朝一日或能實現(xiàn)全脫碳電網(wǎng)

2022-04-18 08:34:12 來源：科技日報

科技日報北京4月17日電 (記者張夢然)據(jù)英國《自然》雜志近日發(fā)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(zhuǎn)化為電能，這一性能優(yōu)于傳統(tǒng)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(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。當需要能量時，例如在陰天，TPV電池會將熱量轉(zhuǎn)化為電能，并將能量分配給電網(wǎng)。

“TPV電池是證明熱電池成為可行概念的最后一個關(guān)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(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的道路上至關(guān)重要的一步。

近年來，科學家們一直在研究固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器?？茖W家認為，固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的一個優(yōu)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(tài)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(shù)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(zhuǎn)換能量。與現(xiàn)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(jié)或材料層。

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，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(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(nèi)，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(wǎng)規(guī)模的熱電池系統(tǒng)，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(shù)在其生命周期內(nèi)是安全的、對環(huán)境無害的，并且可對減少電力生產(chǎn)中的二氧化碳排放產(chǎn)生巨大影響。

【總編輯圈點】

電是清潔綠色的嗎？這得取決于它由什么能源轉(zhuǎn)化而來。因為電是一種二次能源，需要通過一次能源轉(zhuǎn)化獲得。比如，我們開純電動汽車，雖然車不產(chǎn)生尾氣了，但如果給車充的電能來源于化石能源，還不能說它是完全綠色清潔的。推進電網(wǎng)的綠色低碳轉(zhuǎn)型也是這個道理，用越來越先進的技術(shù)，讓越來越清潔的能源接入電網(wǎng)，走進千家萬戶，這是人們實現(xiàn)綠色低碳生活的重要途徑。

標簽：有朝一日蒸汽輪機熱機效率