美帝黑科技：無可動機械部件的熱機效率已和蒸汽輪機相仿

本文來自MIT News，原文标題A new heat engine with no moving parts is as efficient as a steam turbine，零碳君編譯，有改動。

麻省理工學院和美國國家可再生能源實驗室（NREL）的工程師們設計了一種沒有可動機械部件的熱機。他們的新研究表明，它将熱能轉化為電能的效率超過40%--這一性能優于傳統的蒸汽輪機。

該熱機是一個熱光伏（TPV）電池，類似于太陽能電池闆的光伏電池，它被動地從白熱化的熱源中捕捉高能光子并将其轉化為電能。該團隊的設計可以從1900至2400攝氏度的熱源中發電。

研究人員計劃将TPV電池納入一個電網規模的熱電池。該系統将從太陽等可再生資源中吸收多餘的能量，并将這些能量儲存在重度絕緣的熱熔石墨中。當需要這些能量時，例如在陰天，TPV電池将把熱量轉化為電能，并将能量配置設定給電網。

利用這種新TPV電池，該團隊現在已經在單獨的小規模實驗中成功展示了該系統的主要部分。他們正在努力整合這些部分，以展示一個完全可操作的系統。如果成功，他們希望擴大該系統的規模，以取代化石燃料驅動的發電廠，并實作完全由可再生能源供應的完全去碳化的電網。

麻省理工學院機械工程系羅伯特•諾伊斯職業發展教授Asegun Henry說：“熱光伏電池是證明熱電池是一個可行的概念的最後關鍵步驟。這是推廣可再生能源和實作完全去碳化電網道路上絕對關鍵的一步。”

亨利和他的合作者在《自然》雜志上發表了他們的成果。麻省理工學院的共同作者包括Alina LaPotin、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf和福特工程教授兼機械工程系主任Evelyn Wang，以及Kevin Schulte和位于科羅拉多州Golden的NREL的合作者。

跨越差距

世界上90%以上的電力來自熱源，如煤、天然氣、核能和集中的太陽能。一個世紀以來，蒸汽輪機一直是将這些熱能轉換為電能的工業标準。平均而言，蒸汽渦輪機可以可靠地将大約35%的熱能轉化為電能，最先進的熱機大概可以實作60%的轉換效率。但是，這種機器依賴于有溫度限制的機械部件。如果使用高于2000攝氏度的熱源，如亨利提出的熱電池系統，溫度對蒸汽輪機來說就太熱了。

近年來，科學家們研究了熱機的固态替代品——沒有機械部件的熱機，它有可能在更高的溫度下有效工作。亨利說：“固态能源轉換器的優勢之一是，它們可以在更高的溫度下運作，維護成本更低，因為它們沒有可動的機械部件，它們隻是待在那裡然後可靠地發電。”

熱光伏電池提供了一條通往固态熱引擎的探索性路線。與太陽能電池非常相似，熱光伏電池可以由具有特定帶隙（材料的價帶與其導帶之間的間隙）的半導體材料制成。如果一個具有足夠高能量的光子被材料吸收，它可以将一個電子踢過帶隙，然後電子可以在那裡導電，進而産生電力——這樣做的同時不需要像傳統發電機一樣旋轉轉子或汽輪機葉片。

迄今為止，大多數熱光伏電池的效率隻達到20%左右，最高的可以達到32%，因為它們是由相對較低的帶隙材料制成的，轉換溫度較低、能量較低的光子，是以轉換能量的效率較低。

捕捉光線

在亨利團隊新的TPV設計中，亨利和他的同僚希望從更高溫度的熱源中捕捉更高能量的光子，進而更有效地轉換能量。與現有的設計相比，該團隊的新電池采用了更高的帶隙材料和多個結點或材料層。

該電池由三個主要區域組成：一個高帶隙合金，它位于一個稍低帶隙的合金之上，其下是一個像鏡子一樣的金層。第一層捕獲熱源的最高能量光子并将其轉化為電能，而通過第一層的低能量光子則被第二層捕獲并轉化為産生的電壓。任何通過第二層的光子會被鏡子反射，回到熱源，而不是作為浪費的熱量被吸收。

該團隊通過将電池放在一個熱通量傳感器上測試其效率（熱通量傳感器是一個直接測量從電池吸收的熱量的裝置）。他們将電池暴露在一個高溫燈下，并将光線集中到電池上。然後他們改變燈泡的強度或溫度，并觀察電池的功率效率--與它吸收的熱量相比，它産生的功率是如何随溫度變化的。在1,900至2,400攝氏度的範圍内，新的熱光伏保持了約40%的效率。

亨利說：“我們可以在與熱電池相關的廣泛溫度範圍内獲得很高的效率。”

實驗中的電池約為一平方厘米。對于一個電網規模的熱電池系統，亨利設想TPV電池必須擴大到約10,000平方英尺（約四分之一個足球場），并将在氣候控制的倉庫中運作，從巨大的太陽能儲能設施中擷取能量。他指出，已經有了制造大規模光伏電池的基礎設施，它也可以被用來制造熱光伏電池。

亨利說：“就可持續發展而言，這裡肯定有一個巨大的積極因素。該技術是安全的，在其生命周期中對環境無害，并能對減少電力生産的二氧化碳排放産生巨大影響。”

這項研究得到了美國能源部的部分支援。

來源：通向碳中和