美国国家可再生能源实验室和麻省理工学院工程师开发出一种没有运动部件的热机，其效率堪比蒸汽轮机。图片来源：费利斯·弗兰克尔
科技日报记者 张梦然
据英国《自然》杂志近日发表的一项研究，美国国家可再生能源实验室和麻省理工学院工程师设计了一种没有运动部件的热机。演示表明，它以超过40%的效率将热能转化为电能，这一性能优于传统蒸汽轮机。
热机是一种热光伏（TPV）电池，类似于太阳能电池板的光伏电池。研究人员计划将TPV电池整合到电网规模的热电池中。该系统将从太阳能等可再生能源中吸收多余的能量，并将这些能量储存在高度绝缘的热石墨库中。当需要能量时，例如在阴天，TPV电池会将热量转化为电能，并将能量分配给电网。
“TPV电池是证明热电池成为可行概念的最后一个关键步骤。”麻省理工学院机械工程系教授阿塞根·亨利说，这是在推广可再生能源和实现完全脱碳电网的道路上至关重要的一步。
近年来，科学家们一直在研究固态能量转换器。科学家认为，固态能量转换器的一个优点是它们可在更高温度下以更低的维护成本运行，因为它们没有运动部件。
TPV电池为固态热机提供了一条探索途径。就像太阳能电池一样，TPV电池可由具有特定带隙的半导体材料制成。但迄今为止，大多数TPV电池的效率仅达到20%左右，最高的也仅为32%。
在新的TPV设计中，亨利及其同事希望从更高温度的热源中捕获更高能量的光子，从而更有效地转换能量。与现有的TPV设计相比，该团队的新电池采用更高的带隙材料和多个结或材料层。
该电池由三个主要区域制成：高带隙合金位于带隙稍低的合金之上，其下方是镜面状的金层。第一层捕获热源的最高能量光子并将它们转换为电能，而穿过第一层的低能量光子被第二层捕获并转换以增加产生的电压。任何穿过第二层的光子都会被镜子反射，回到热源，而不是作为废热被吸收。
研究团队将电池暴露在高温灯下，并将光集中在电池上。然后，他们改变了灯泡的强度或温度，并观察了电池的功率效率如何随温度变化。在1900℃至2400℃的温度范围内，新型TPV电池的效率保持在40%左右。
实验电池约为一平方厘米。对于电网规模的热电池系统，研究人员设想TPV电池必须扩大到约900平方米。
亨利表示，该技术在其生命周期内是安全的、对环境无害的，并且可对减少电力生产中的二氧化碳排放产生巨大影响。
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