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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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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