來自麻省理工學(xué)院和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究團(tuán)隊(duì)近日成功開發(fā)出一種新型熱光伏（TPV）電池，能夠比傳統(tǒng)蒸汽渦輪機(jī)更有效地將熱量轉(zhuǎn)化為電能。研究人員計(jì)劃將這種熱光伏電池整合到電網(wǎng)規(guī)模的熱電池中，或?qū)⒂绊懳磥淼陌l(fā)電站和電網(wǎng)儲(chǔ)能。

該研究成果發(fā)表在著名科學(xué)期刊《自然》（Nature）雜志上。熱光伏（TPV）類似于太陽能電池板，主要通過光伏效應(yīng)將紅外波長的光轉(zhuǎn)換為電能，并且可以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。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(chǔ)存在高度絕緣的熱石墨庫中。當(dāng)需要能量時(shí)（例如陰天時(shí)），熱光伏電池會(huì)將熱量轉(zhuǎn)化為電能，并將能量分配給電網(wǎng)。

目前，全球的電力大多來自燃燒煤炭或天然氣、核裂變和聚光太陽能等熱源，再通過蒸汽渦輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。該技術(shù)已應(yīng)用了一個(gè)多世紀(jì)，具有優(yōu)勢的同時(shí)也存在局限性。平均而言，蒸汽渦輪機(jī)僅能將熱源的35%轉(zhuǎn)化為電能，迄今能達(dá)到的最高效率水平也只有60%。此外，蒸汽渦輪機(jī)的主要活動(dòng)部件必須在一定溫度閾值下運(yùn)行。近年來，科學(xué)家們一直在研究無活動(dòng)部件的固態(tài)發(fā)電設(shè)備作為替代，以在更高的溫度下進(jìn)行工作。“固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以在更高的溫度下以更低的維護(hù)成本運(yùn)行，因?yàn)樗鼈儧]有可移動(dòng)的部件?！甭槭±砉W(xué)院機(jī)械工程系教授、該項(xiàng)目的研究人員之一Asegun Henry說道，“他們只是被安置在那里可靠地發(fā)電?！?/p>

此次研發(fā)的新型熱光伏電池由具有特定帶隙（材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的間隙）的半導(dǎo)體材料制成。與原有的熱光伏電池不同的是，該團(tuán)隊(duì)采用了帶隙更高、有多個(gè)結(jié)或材料層的材料。如果一個(gè)能量足夠高的光子被材料吸收，它可以將電子踢過帶隙，然后電子可以在帶隙中傳導(dǎo)，從而發(fā)電。

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(huì)被鏡面反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。

正因如此，該電池可以從更高溫度的熱源獲得更高能量的光子。在高達(dá)1900度-2400度的熱通量傳感器測試中，新型熱光伏電池保持了40%左右的效率。早期的熱光伏電池平均效率約為20%，此前效率最高的記錄也僅達(dá)到32%。原因在于這些電池由相對低帶隙的材料制成，轉(zhuǎn)換的是低溫、低能量的光子，所以轉(zhuǎn)換能量效率較低。研究人員稱，“TPV達(dá)到40%的效率是值得注意的，這使TPV成為了一種可以與渦輪機(jī)競爭的熱機(jī)技術(shù)。40%的效率已經(jīng)高于美國基于渦輪機(jī)的熱機(jī)的平均效率，TPV比渦輪機(jī)更具優(yōu)勢的是其成本更低、響應(yīng)時(shí)間更快的潛力、維護(hù)簡單、易于與外部熱源集成以及燃料靈活性。”

這種新型TPV技術(shù)可以在“適合天然氣或氫燃燒”的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，為下一代低排放發(fā)電廠的前景帶來了希望。

研究團(tuán)隊(duì)正在努力將小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中的部件整合成一個(gè)完全可操作的系統(tǒng)。目前，實(shí)驗(yàn)中的電池僅為一平方厘米。據(jù)Henry設(shè)想，要達(dá)成電網(wǎng)規(guī)模的熱光伏電池系統(tǒng)，電池必須擴(kuò)大到約10000平方英尺（約四分之一個(gè)足球場），并將在溫度受控的倉庫中運(yùn)行，以從巨大的太陽能存儲(chǔ)庫中獲取電力。

Henry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。他們希望未來熱光伏電池系統(tǒng)可以取代由化石燃料驅(qū)動(dòng)的發(fā)電廠，實(shí)現(xiàn)完全由可再生能源供電的脫碳化電網(wǎng)。

“熱光伏電池是證明熱電池是可行概念的最后一步。這是推廣可再生能源和實(shí)現(xiàn)完全脫碳化電網(wǎng)道路上的絕對關(guān)鍵一步?！盚enry表示。