无活动部件设计的热机

麻省理工学院和国家可再生能源实验室(NREL)的工程师们设计了一种没有活动部件的热机。他们的新演示表明，它能以超过40%的效率将热能转化为电能，这比传统的蒸汽涡轮机的性能要好。

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，被动地从白热热源捕获高能光子并将其转化为电能。该团队的设计可以从1900到2400摄氏度的热源中发电，或高达约4300华氏度。

研究人员计划将TPV电池整合到电网级热电池中。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堆中。当需要能量时，比如在阴天，TPV电池会将热量转化为电能，并将能量输送到电网。

有了新的TPV电池，该团队现在已经成功地在独立的小规模实验中演示了系统的主要部分。他们正在努力整合各个部分，以展示一个完全可操作的系统。在此基础上，他们希望扩大该系统的规模，以取代化石燃料发电厂，并实现完全脱碳的电网，完全由可再生能源供电。

麻省理工学院机械工程系Robert N. Noyce职业发展教授Asegun Henry说:“热光伏电池是证明热电池是可行概念的最后关键一步。”“在推广可再生能源和实现完全脱碳电网的道路上，这绝对是关键的一步。”

亨利和他的合作者发表了他们的研究结果发表在《自然》杂志上。麻省理工学院的合著者包括Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf和Evelyn Wang，福特工程教授和机械工程系主任，以及Kevin Schulte和科罗拉多州戈尔登NREL的合作者。

跨越差距

世界上90%以上的电力来自煤、天然气、核能和聚光太阳能等热源。一个世纪以来，蒸汽轮机一直是将这种热源转化为电能的工业标准。

平均而言，蒸汽轮机可靠地将约35%的热源转化为电能，其中约60%代表迄今为止任何热机的最高效率。但是这种机器依赖于受温度限制的活动部件。超过2000摄氏度的热源，比如亨利提出的热电池系统，对涡轮机来说太热了。

近年来，科学家们一直在研究固态替代品——没有运动部件的热机，它可能在更高的温度下高效工作。

亨利说:“固态能量转换器的优点之一是，它们可以在更高的温度下工作，维护成本更低，因为它们没有移动部件。”“它们就放在那里，可靠地发电。”

热光伏电池为固态热机提供了一条探索之路。就像太阳能电池一样，TPV电池可以由具有特定带隙的半导体材料制成，带隙是材料的价带和导带之间的间隙。如果一个具有足够高能量的光子被材料吸收，它可以踢电子穿过带隙，在那里电子可以传导，从而产生电能——这样做不需要移动转子或叶片。

到目前为止，大多数TPV电池只能达到20%左右的效率，最高的记录是32%，因为它们是由相对低带隙材料制成的，可以转换温度较低、能量较低的光子，因此转换能量的效率较低。

捕捉光

在他们新的TPV设计中，Henry和他的同事们试图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了更高的带隙材料和多个结或材料层。

电池由三个主要区域组成:一个高带隙合金，它位于一个略低带隙合金之上，下面是一层像镜子一样的黄金层。第一层捕获热源的最高能量光子并将其转换为电能，而通过第一层的低能量光子被第二层捕获并转换为产生的电压。任何穿过第二层的光子都会被镜子反射回热源，而不是作为废热被吸收。

研究小组通过将电池放在热通量传感器上测试了电池的效率，热通量传感器是一种直接测量电池吸收热量的设备。他们将细胞暴露在高温灯下，并将光集中到细胞上。然后，他们改变灯泡的强度或温度，观察电池的功率效率——它产生的电量与它吸收的热量相比——是如何随温度变化的。在1900 ~ 2400℃的温度范围内，新型TPV电池的效率保持在40%左右。

亨利说:“我们可以在与热电池相关的广泛温度范围内获得高效率。”

实验中的细胞约为一平方厘米。亨利设想，对于电网规模的热电池系统，TPV电池必须扩大到约10,000平方英尺(约四分之一足球场)，并将在气候控制的仓库中运行，从储存的巨大太阳能银行中获取电力。他指出，现有的基础设施可以用于制造大规模的光伏电池，也可以用于制造tpv。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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