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(jì)錄的太陽能電池，將太陽能轉(zhuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以前TPV創(chuàng)造世界紀(jì)錄。電池開發(fā)的初衷是麻省理工學(xué)院(以下簡稱MIT）研究結(jié)果已在期刊上發(fā)表《Nature》上。此外，當(dāng)環(huán)境溫度加熱到2400 ℃，創(chuàng)紀(jì)錄電池的最高效率為41.1%（±1%)，在一定溫度范圍內(nèi)，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(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，能夠儲存和轉(zhuǎn)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(dāng)需要能量(如陰天)時，TPV 電池將熱量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電能的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。平均而言，蒸汽輪機將約為 35% 熱源可靠地轉(zhuǎn)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(shè)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(dǎo)體材料制成（材料的價帶與導(dǎo)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(dǎo)，從而發(fā)電。沒有轉(zhuǎn)子或葉片。
光捕捉
新的 TPV 在設(shè)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(zhuǎn)換能量。 TPV 與設(shè)計相比，該團隊的新電池采用了更高的間隙和多個結(jié)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(zhuǎn)換為電能，而通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。任何通過第二層的光子都會被鏡子反射回?zé)嵩矗皇亲鳛閺U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?zé)粝拢⒐饧性陔姵厣稀Ｈ缓螅鼈兏淖兞藷襞莸膹姸然驕囟龋⒂^察了電池的功率效率（與吸收的熱量相比，其產(chǎn)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(nèi)，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(shè)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(chǔ)設(shè)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(shè)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(dá)到 98% 上述反射率。科學(xué)家們說，這種反射器與新的熱光伏相結(jié)合 2,250°C 時間效率可超過 56%，或在 1,900 至 2,400°C 范圍內(nèi)的平均效率超過 51%。
應(yīng)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(dāng)需要能量（如陰天）時，TPV 電池將熱量轉(zhuǎn)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(shè)備用于熱能網(wǎng)格存儲(TEGS)應(yīng)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(shù)TPV將熱量轉(zhuǎn)換為20000以上°C渦輪機無法達(dá)到的電能。它是一種能吸收電能，將其轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崃浚瑑Υ鏌崃浚缓笸ㄟ^TPV按需將其轉(zhuǎn)換回電能。盡管TEGS最初是用熔融硅儲存介質(zhì)構(gòu)思的，但石墨儲存介質(zhì)的成本較低(每公斤0.5美元)，預(yù)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(biāo)（<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(dá)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(yīng)用現(xiàn)在是可行的。這些應(yīng)用包括其他儲能技術(shù)、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(shù)相結(jié)合。在這種情況下，TPV 渦輪機的一些優(yōu)點包括成本低、響應(yīng)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(shù)是一個巨大的凈積極因素，在其生命周期內(nèi)安全無害，對減少電力生產(chǎn)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(guān)鍵一步。
研發(fā)之路
麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)2014年初宣布，開發(fā)了將太陽能轉(zhuǎn)化為電力的新方法。它被稱為熱光伏(thermophotovoltaic：TPV)發(fā)電技術(shù)。
TPV發(fā)電的假設(shè)是將可見光等來自太陽的電磁波轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為特定波長的光，最后用普通太陽能電池接收并轉(zhuǎn)化為電力。相關(guān)方正在研究只將紫外線和紅外線轉(zhuǎn)化為可見光的波長轉(zhuǎn)化技術(shù)，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(shù)不同，可見光波長轉(zhuǎn)換也是如此。
當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上(MIT)。 來源：友綠智庫
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