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以40%的效率從熱量中捕獲光，NREL在熱光伏領域取得突破

（2024年11月23日更新）

長期以來，美國可再生能源實驗室(以下簡稱NREL）致力于開發(fā)創(chuàng)紀錄的太陽能電池，將太陽能轉化為其他形式的能量。然而，太陽并不是光伏材料捕獲的唯一能量源。熱輻射物體也可以發(fā)光-電磁波波長較長，能量較低-熱光伏電池（TPV）優(yōu)化電池捕獲這種能量。

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近日，NREL新型光伏電池的開發(fā)遠遠超過了以前TPV創(chuàng)造世界紀錄。電池開發(fā)的初衷是麻省理工學院(以下簡稱MIT）研究結果已在期刊上發(fā)表《Nature》上。此外，當環(huán)境溫度加熱到2400 ℃，創(chuàng)紀錄電池的最高效率為41.1%（±1%)，在一定溫度范圍內，平均效率為36.2%。

熱光伏(TPV)紅外波長的光主要通過光伏效應轉化為電能，能夠儲存和轉化能量。研究人員計劃這樣做 TPV 電池集成到電網(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，并將其儲存在高絕緣熱石墨庫中。當需要能量(如陰天)時，TPV 電池將熱量轉化為電能，并將能量分配給電網(wǎng)Jorjin代理。

世界上超過 90% 煤炭、天然氣、核能氣、核能和聚光太陽能。蒸汽輪機一來，蒸汽輪機一直是將這種熱源轉化為電能的工業(yè)標準方法。平均而言，蒸汽輪機將約為 35% 熱源可靠地轉化為電能。到目前為止，所有熱機的最高效率約為 60% 。但這些機器依賴于受溫度限制的運動部件。高于 2000 例如，攝氏度的熱源 Henry 渦輪機提出的熱電池系統(tǒng)太熱了。熱光伏電池為固態(tài)發(fā)電設備提供了探索途徑。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（材料的價帶與導帶之間的間隙）。若能量足夠高的光子被材料吸收，則可將電子踢過帶隙，然后電子可在帶隙中傳導，從而發(fā)電。沒有轉子或葉片。

光捕捉

新的 TPV 在設計中，研究團隊希望從更高溫度的熱源中捕獲更高能量的光子，從而更有效地轉換能量。 TPV 與設計相比，該團隊的新電池采用了更高的間隙和多個結或材料層。

電池由三個主要區(qū)域組成：高帶間隙合金位于帶間隙較低的合金上方，下層為鏡面金。第一層捕獲熱源中最高能量的光子，并將其轉換為電能，而通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。任何通過第二層的光子都會被鏡子反射回熱源，而不是作為廢熱被吸收。

該團隊將電池放置在熱通量傳感器上，直接測量電池吸收的熱量。它們將電池暴露在高溫燈下，并將光集中在電池上。然后，它們改變了燈泡的強度或溫度，并觀察了電池的功率效率（與吸收的熱量相比，其產生的電量如何隨溫度而變化）。在 1900 至 2400 在攝氏度溫度范圍內，新型 TPV 保持電池的效率 40% 左右。

實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 設想 TPV 電池必須擴大到約 10000 平方英尺（約四分之一的足球場）將在溫度控制的倉庫中運行，從巨大的太陽能倉庫中獲得電力。他指出，制造大型光伏電池的基礎設施也可用于制造 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到 98% 上述反射率。科學家們說，這種反射器與新的熱光伏相結合 2,250°C 時間效率可超過 56%，或在 1,900 至 2,400°C 范圍內的平均效率超過 51%。

應用前景

研究人員計劃這樣做 TPV 電池集成到電網(wǎng)規(guī)模的熱電池中。該系統(tǒng)將從太陽能和其他可再生能源中吸收多余的能量，并將其儲存在高絕緣的熱石墨庫中。當需要能量（如陰天）時，TPV 電池將熱量轉化為電能，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)設備用于熱能網(wǎng)格存儲(TEGS)應用的1900–2400 °C優(yōu)化了發(fā)射器的溫度范圍。TEGS采用低成本電網(wǎng)規(guī)模儲能技術TPV將熱量轉換為20000以上°C渦輪機無法達到的電能。它是一種能吸收電能，將其轉化為高溫熱量，儲存熱量，然后通過TPV按需將其轉換回電能。盡管TEGS最初是用熔融硅儲存介質構思的，但石墨儲存介質的成本較低(每公斤0.5美元)，預計每個單位能源的資本成本（CPE）每千瓦時不到10美元。這個成本很低，會使TEGS能夠滿足長期儲能的擬議成本目標（<20美元/千瓦時)，使可再生能源與化石燃料具有成本競爭力。

TEGS全球二氧化碳排放量最終可以降低約40%，即使電網(wǎng)脫碳(排放量約25%)，然后讓無二氧化碳的電力給運輸部門的車輛充電(排放量約15%)。達到40%的TPV效率值得注意，因為這意味著TEGS而一系列其他潛在應用現(xiàn)在是可行的。這些應用包括其他儲能技術、天然氣、丙烷或氫燃料發(fā)電和高溫工業(yè)廢熱回收。

TPV 另一種選擇是將其與氫燃料技術相結合。在這種情況下，TPV 渦輪機的一些優(yōu)點包括成本低、響應時間快、維護成本低、燃料靈活性低、發(fā)電規(guī)模小(約 10 兆瓦)具有成本效益的能力。

該團隊現(xiàn)在計劃在熱電池原型系統(tǒng)和試點演示中測試其電池。他們還希望將不可用輻射的比例提高到 97-98%進一步提高了電池的效率 50%。

就可持續(xù)性而言，該技術是一個巨大的凈積極因素，在其生命周期內安全無害，對減少電力生產中二氧化碳排放有很大影響，是推廣可再生能源、實現(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的絕對關鍵一步。

研發(fā)之路

麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)2014年初宣布，開發(fā)了將太陽能轉化為電力的新方法。它被稱為熱光伏(thermophotovoltaic：TPV)發(fā)電技術。

TPV發(fā)電的假設是將可見光等來自太陽的電磁波轉化為熱量，然后通過稱為發(fā)射極(Emitter)固體元件將這些熱量轉化為特定波長的光，最后用普通太陽能電池接收并轉化為電力。相關方正在研究只將紫外線和紅外線轉化為可見光的波長轉化技術，以提高太陽能電池的發(fā)電效率，TPV可以說是其中之一，但是TPV與其他技術不同，可見光波長轉換也是如此。

當時，太陽能電池只能將支撐太陽能電池間隙的特定波長附近的光能轉化為電力。TPV發(fā)電有望利用幾乎所有的太陽能，因此理想情況下，轉換效率可達80%以上(MIT)。來源：友綠智庫