无需动力部件的新型电机
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FELICE FRANKEL
就像太阳能电池从阳光中发电一样，热光伏电池也从红外光中发电。现在，在一项新的研究中，科学家们发现热光伏电池的转换效率达到了创纪录的40%以上，比美国用于发电的普通涡轮机要好。研究人员说，这些发现可能有助于使电网规模的热电池用于可再生能源，从而使电网无碳。
大多数发电厂的发电方式是用涡轮机。在涡轮机中，蒸汽等流体由燃烧产生的热量、核能或太阳能驱动，使发电机的转子轴旋转，从而将流体的动能转化为电能。
该研究的主要作者、麻省理工学院的机械工程师Alina LaPotin说，美国涡轮机发电的平均效率不到35%。然而，涡轮机的成本和性能已经完全成熟，因此未来改进的前景有限。
相比之下，热光电技术的发展还很早，因此可能有许多改善其效率和成本的前景，LaPotin指出。例如，涡轮机依靠的是在温度足够高时会融化的运动部件，而热电光伏是可以在更高温度下运行的固态设备，这可以释放各种好处。
大约40年前，科学家们第一次发明了效率为29%的热电光伏。然而，尽管预测了它们的效率将超过50%，但几十年来它们的效率仅达到32%。
在这项新研究中，研究人员对热光伏材料进行了实验，该材料针对1900至2400°C的发射温度进行了优化，并发射能量在1至1.4电子伏之间的红外光子。这些单光子能量高于之前的热光伏研究所探索的能量，其目的是避免利用低能红外光子的热光伏所带来的效率降低电压损失。本研究的目标温度也高于之前的热光电技术。LaPotin说，这种情况下的经验法则是，温度越高，设备的功率密度就越高，与它们产生的功率相比，它们的成本就越低。
科学家们还通过将低能红外光子反射回发射器的高反射背表面提高了设备的效率。这些反射的光子继续加热发射器，使它们能够发射更高能量的红外光，这对新的热光电技术更有用。
麻省理工学院机械工程教授Asegun Henry说：“如果真的展示出了其高效率，这是一件大事，因为这将降低成本 —— 我认为这标志着热光电技术值得深入研究，值得更多投资和开发，因为许多技术在纸面上看起来很有前途，建模结果表明高效率是可能的，但无论出于何种原因，它们从未实现。”
1.2–1.4电子伏器件的优点是在较高的电压下工作，因此在给定发射极温度下的电流密度较低，这可以减少由于电阻引起的能量损失，LaPotin说。她指出，相比之下，1–1.2电子伏的设备在给定发射极温度下具有更高功率密度的优势。
研究人员说，如果有更好的反射器，这些设备的效率可以提高到50%以上。2020年，另一组研究中的一个反射器达到了98%以上的反射率。科学家们说，将这种反射器与新的热光电技术相结合，可以在2250°C时提高56%以上的效率，或者在1900到2400°C的温度范围内平均提高51%以上。
这些新发现表明，热电光伏发电有助于以比涡轮机更低的成本发电。“基于涡轮机的发电系统的成本通常为每瓦1美元，”Henry说，“然而，对于热电光伏，有可能将其降低到每瓦0.10美元。”
这些新的热光电技术的一个关键潜在应用是电网规模的热电池。这样一个系统将吸收来自太阳等可再生能源的多余电能，并将这些电能储存在硅或石墨等材料的隔热层中。当需要这些能量时，比如在阴天，热光伏电池会将这些热量转化为电能，并根据需要将能量输送到电网。
Henry说：“热电池是热光电的重要应用，因为它们需要在更大的范围内进行，以使系统效率与设备效率相等。”
科学家们指出，尽管这种热能网格存储最初是用熔融硅作为热电池材料构思的，但事实证明，石墨的价格甚至更便宜，约为每千克0.50美元，因此预计每千瓦时的资本成本不到10美元，低到足以使可再生能源的成本与化石燃料具有竞争力。
Henry说：“我认为最重要的意义是热电池可以走向商业化，即使我们在这里展示了当前的电池性能。”
新研究中的设备尺寸约为1平方厘米。对于电网规模的热电池系统，Henry设想在气候控制的仓库中运行大约1000平方米大小的热光伏电池，从储存的巨大太阳能库中获取电力。他指出，现有的基础设施可用于制造大规模光伏电池，也可用于制造热光伏电池。
科学家们在近日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。
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