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新型熱機(jī)效率堪比蒸汽輪機(jī) 有朝一日或能實(shí)現(xiàn)全脫碳電網(wǎng)

2022-04-18 08:34:12 來源：科技日?qǐng)?bào)

科技日?qǐng)?bào)北京4月17日電 (記者張夢(mèng)然)據(jù)英國(guó)《自然》雜志近日發(fā)表的一項(xiàng)研究，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院工程師設(shè)計(jì)了一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的熱機(jī)。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(jī)。

熱機(jī)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(jì)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?jī)?chǔ)存在高度絕緣的熱石墨庫(kù)中。當(dāng)需要能量時(shí)，例如在陰天，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電池是證明熱電池成為可行概念的最后一個(gè)關(guān)鍵步驟。”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系教授阿塞根·亨利說，這是在推廣可再生能源和實(shí)現(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的道路上至關(guān)重要的一步。

近年來，科學(xué)家們一直在研究固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器。科學(xué)家認(rèn)為，固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可在更高溫度下以更低的維護(hù)成本運(yùn)行，因?yàn)樗鼈儧]有運(yùn)動(dòng)部件。

TPV電池為固態(tài)熱機(jī)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(dǎo)體材料制成。但迄今為止，大多數(shù)TPV電池的效率僅達(dá)到20%左右，最高的也僅為32%。

在新的TPV設(shè)計(jì)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(jì)相比，該團(tuán)隊(duì)的新電池采用更高的帶隙材料和多個(gè)結(jié)或材料層。

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，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(huì)被鏡子反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。

研究團(tuán)隊(duì)將電池暴露在高溫?zé)粝拢⒐饧性陔姵厣稀Ｈ缓螅麄兏淖兞藷襞莸膹?qiáng)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(shí)驗(yàn)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)，研究人員設(shè)想TPV電池必須擴(kuò)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(duì)環(huán)境無害的，并且可對(duì)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(diǎn)】

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?yàn)殡娛且环N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(dòng)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(jìn)電網(wǎng)的綠色低碳轉(zhuǎn)型也是這個(gè)道理，用越來越先進(jìn)的技術(shù)，讓越來越清潔的能源接入電網(wǎng)，走進(jìn)千家萬戶，這是人們實(shí)現(xiàn)綠色低碳生活的重要途徑。

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