美帝黑科技：无可动机械部件的热机效率已和蒸汽轮机相仿

本文来自MIT News，原文标题A new heat engine with no moving parts is as efficient as a steam turbine，零碳君编译，有改动。

麻省理工学院和美国国家可再生能源实验室（NREL）的工程师们设计了一种没有可动机械部件的热机。他们的新研究表明，它将热能转化为电能的效率超过40%--这一性能优于传统的蒸汽轮机。

该热机是一个热光伏（TPV）电池，类似于太阳能电池板的光伏电池，它被动地从白热化的热源中捕捉高能光子并将其转化为电能。该团队的设计可以从1900至2400摄氏度的热源中发电。

研究人员计划将TPV电池纳入一个电网规模的热电池。该系统将从太阳等可再生资源中吸收多余的能量，并将这些能量储存在重度绝缘的热熔石墨中。当需要这些能量时，例如在阴天，TPV电池将把热量转化为电能，并将能量分配给电网。

利用这种新TPV电池，该团队现在已经在单独的小规模实验中成功展示了该系统的主要部分。他们正在努力整合这些部分，以展示一个完全可操作的系统。如果成功，他们希望扩大该系统的规模，以取代化石燃料驱动的发电厂，并实现完全由可再生能源供应的完全去碳化的电网。

麻省理工学院机械工程系罗伯特•诺伊斯职业发展教授Asegun Henry说：“热光伏电池是证明热电池是一个可行的概念的最后关键步骤。这是推广可再生能源和实现完全去碳化电网道路上绝对关键的一步。”

亨利和他的合作者在《自然》杂志上发表了他们的成果。麻省理工学院的共同作者包括Alina LaPotin、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf和福特工程教授兼机械工程系主任Evelyn Wang，以及Kevin Schulte和位于科罗拉多州Golden的NREL的合作者。

跨越差距

世界上90%以上的电力来自热源，如煤、天然气、核能和集中的太阳能。一个世纪以来，蒸汽轮机一直是将这些热能转换为电能的工业标准。平均而言，蒸汽涡轮机可以可靠地将大约35%的热能转化为电能，最先进的热机大概可以实现60%的转换效率。但是，这种机器依赖于有温度限制的机械部件。如果使用高于2000摄氏度的热源，如亨利提出的热电池系统，温度对蒸汽轮机来说就太热了。

近年来，科学家们研究了热机的固态替代品——没有机械部件的热机，它有可能在更高的温度下有效工作。亨利说：“固态能源转换器的优势之一是，它们可以在更高的温度下运行，维护成本更低，因为它们没有可动的机械部件，它们只是待在那里然后可靠地发电。”

热光伏电池提供了一条通往固态热引擎的探索性路线。与太阳能电池非常相似，热光伏电池可以由具有特定带隙（材料的价带与其导带之间的间隙）的半导体材料制成。如果一个具有足够高能量的光子被材料吸收，它可以将一个电子踢过带隙，然后电子可以在那里导电，从而产生电力——这样做的同时不需要像传统发电机一样旋转转子或汽轮机叶片。

迄今为止，大多数热光伏电池的效率只达到20%左右，最高的可以达到32%，因为它们是由相对较低的带隙材料制成的，转换温度较低、能量较低的光子，因此转换能量的效率较低。

捕捉光线

在亨利团队新的TPV设计中，亨利和他的同事希望从更高温度的热源中捕捉更高能量的光子，从而更有效地转换能量。与现有的设计相比，该团队的新电池采用了更高的带隙材料和多个结点或材料层。

该电池由三个主要区域组成：一个高带隙合金，它位于一个稍低带隙的合金之上，其下是一个像镜子一样的金层。第一层捕获热源的最高能量光子并将其转化为电能，而通过第一层的低能量光子则被第二层捕获并转化为产生的电压。任何通过第二层的光子会被镜子反射，回到热源，而不是作为浪费的热量被吸收。

该团队通过将电池放在一个热通量传感器上测试其效率（热通量传感器是一个直接测量从电池吸收的热量的设备）。他们将电池暴露在一个高温灯下，并将光线集中到电池上。然后他们改变灯泡的强度或温度，并观察电池的功率效率--与它吸收的热量相比，它产生的功率是如何随温度变化的。在1,900至2,400摄氏度的范围内，新的热光伏保持了约40%的效率。

亨利说：“我们可以在与热电池相关的广泛温度范围内获得很高的效率。”

实验中的电池约为一平方厘米。对于一个电网规模的热电池系统，亨利设想TPV电池必须扩大到约10,000平方英尺（约四分之一个足球场），并将在气候控制的仓库中运行，从巨大的太阳能储能设施中获取能量。他指出，已经有了制造大规模光伏电池的基础设施，它也可以被用来制造热光伏电池。

亨利说：“就可持续发展而言，这里肯定有一个巨大的积极因素。该技术是安全的，在其生命周期中对环境无害，并能对减少电力生产的二氧化碳排放产生巨大影响。”

这项研究得到了美国能源部的部分支持。

来源：通向碳中和