以40%效率從熱量中捕獲光，NREL在熱光伏領(lǐng)域取得突破

長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)NREL）致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng)紀(jì)錄的太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能。然而，太陽(yáng)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(zhǎng)較長(zhǎng)，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(kāi)發(fā)了一種新型光伏電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了此前TPV創(chuàng)下的世界紀(jì)錄。該電池的開(kāi)發(fā)初心是與麻省理工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MIT）合作證明電能存儲(chǔ)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(gè)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(guò)光伏效應(yīng)將紅外波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為電能，并且可以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的方法。研究人員計(jì)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(yáng)能等可再生能源中吸收多余的能量，并將這些能量?jī)?chǔ)存在高度絕緣的熱石墨庫(kù)中。當(dāng)需要能量時(shí)(例如陰天時(shí))，TPV 電池會(huì)將熱量轉(zhuǎn)化為電能，并將能量分配給電網(wǎng)。

世界上超過(guò) 90% 的電力來(lái)自煤炭、天然氣、核能和聚光太陽(yáng)能等熱源。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，蒸汽輪機(jī)一直是將此類(lèi)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(lài)于受溫度限制的運(yùn)動(dòng)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(duì)于渦輪機(jī)來(lái)說(shuō)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(yáng)能電池一樣，TPV 電池可以由具有特定帶隙（材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的間隙）的半導(dǎo)體材料制成。如果一個(gè)能量足夠高的光子被材料吸收，它可以將電子踢過(guò)帶隙，然后電子可以在帶隙中傳導(dǎo)，從而發(fā)電。這樣做無(wú)需轉(zhuǎn)子或葉片。

光捕捉

新的 TPV 設(shè)計(jì)中，研究團(tuán)隊(duì)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(jì)相比，該團(tuán)隊(duì)的新電池采用帶隙更高的，和有多個(gè)結(jié)或材料層的材料。

該電池由三個(gè)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(guò)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(guò)第二層的光子都會(huì)被鏡面反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將電池放置在熱通量傳感器上來(lái)測(cè)試電池的效率，該傳感器直接測(cè)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(yàn)中的電池約為一平方厘米。對(duì)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(gè)足球場(chǎng)），并將在溫度受控的倉(cāng)庫(kù)中運(yùn)行，以從巨大的太陽(yáng)能存儲(chǔ)庫(kù)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。科學(xué)家們說(shuō)，將這種反射器與新的熱光伏相結(jié)合，在 2,250°C 時(shí)的效率可超過(guò) 56%，或在 1,900 至 2,400°C 范圍內(nèi)的平均效率超過(guò) 51%。

應(yīng)用前景

研究人員計(jì)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(yáng)能等可再生能源中吸收多余的能量，并將這些能量?jī)?chǔ)存在高度絕緣的熱石墨庫(kù)中。當(dāng)需要能量時(shí)（例如陰天時(shí)），TPV 電池會(huì)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(duì)熱能網(wǎng)格存儲(chǔ)(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(chǔ)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(wú)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?chǔ)存熱量，然后通過(guò)TPV按需將其轉(zhuǎn)換回電能。盡管TEGS最初是用熔融硅存儲(chǔ)介質(zhì)構(gòu)想的，但石墨存儲(chǔ)介質(zhì)的成本更低（每公斤0.5美元），預(yù)計(jì)每單位能源的資本成本（CPE）不到每千瓦時(shí)10美元。這個(gè)成本非常低，它將使TEGS能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期儲(chǔ)能的擬議成本目標(biāo)（<20美元/千瓦時(shí)），這將使可再生能源與化石燃料具有成本競(jìng)爭(zhēng)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(wú)二氧化碳的電力為運(yùn)輸部門(mén)的車(chē)輛充電（約15%的排放量）。達(dá)到40%的TPV效率是值得注意的，因?yàn)檫@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(chǔ)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(gè)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(duì)于渦輪機(jī)的一些優(yōu)勢(shì)包括成本更低、響應(yīng)時(shí)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(duì)現(xiàn)在計(jì)劃在熱電池原型系統(tǒng)和試點(diǎn)演示中測(cè)試其電池。他們還希望通過(guò)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(gè)技術(shù)是一個(gè)巨大的凈積極因素，它在其生命周期內(nèi)是安全的、對(duì)環(huán)境無(wú)害的，并且可以對(duì)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(duì)關(guān)鍵的一步。

研發(fā)之路

美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)2014年初就宣布，開(kāi)發(fā)出了將太陽(yáng)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(jiàn)光等來(lái)自太陽(yáng)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(zhǎng)的光，最后利用普通的太陽(yáng)能電池接收這些光并轉(zhuǎn)換成電力。作為提高太陽(yáng)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(jiàn)光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，TPV可說(shuō)是其中的一種，不過(guò)TPV不同于其他技術(shù)的是，也對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)能電池只能將支持太陽(yáng)能電池帶隙的特定波長(zhǎng)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(yáng)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(lái)源：友綠智庫(kù)