新「熱光伏」電池電能轉換效率增逾 10% 助降再生能源價格

將剩餘的太陽能與風能等再生能源儲起,以備天氣不穩定無法發現時使用,一直是全球能源全面轉型的大難題。龐大的電池組其實是其中一個方案,但實際應用相當昂貴,而且只適合儲存數小時的能源,並不能儲能長達數天。

另一種方法是利用剩餘能量將大量材料加熱到超高溫,然後根據需要使用該些高溫能量。最新刊於《自然》的研究則指在類似方法的能用有重大改進,研發出裝置可將該些儲起的熱量轉化為電能。

用白話來說:麻省理工學院 (MIT) 和美國國家可再生能源實驗室的團隊將熱光伏 (thermophotovoltaic, TPV) 「電芯」的效率提高至逾 40% ,而 TPV 是一種將熱源發出的光子轉換為電能的半導體結構,就像太陽能電池將陽光轉化為電能一樣。

圖:MIT 熱光伏 (thermophotovoltaic, TPV) 「電芯」

團隊的研究令 TPV 首次進入真正可應用的效率範圍,有助推動大規模使用該類電池,令可再生能源價格進一步下降。

TPV 的原理源於將多餘的風能或太陽能提供至加熱元件,將液態金屬或石墨的溫度提高到攝氏數千度。這些熱量可透過驅動渦輪機的蒸汽轉化為電能;高溫提高了轉換效率,但渦輪物料會在大約  1,500°C 時開始分解。而 TPV 則可以將儲存的熱量集中到金屬薄膜或金屬絲上,使其像燈泡中的鎢絲一樣發光,然後使用 TPV 吸收發出的光並將其轉化為電能。

1960 年代發明的第一批 TPV 僅能將百分之幾的熱能轉化為電能,效率在 1980 年躍升至 30% 左右,但此後基本上一直停滯不前。其中一個原因是鎢和其他金屬傾向於釋出很闊、由高能紫外線到低能遠紅外線的光譜範圍光子,但所有光伏設備,包括 TPV都只可吸收較窄範圍的光子,部份光線能量往往會被浪費。

是次研究團隊則在 TPV 與光源上同時著手改善轉換效率。過去的 TPV 只能在 1,400°C 下達到最佳效能,但團隊目標是將溫度再提高 1,000°C ﹐令鎢絲以更高的能量發射更多的光子。

團隊從超過 24 種不同的半導體薄層疊起,以製造兩個獨立的電池。頂部電池主要吸收可見光和紫外光子,而下層電池則主要吸收紅外線,下層電池下方再有一塊薄金片反射 TPV 無法捕獲的低能光子。鎢絲最後會重新吸收熱能,防止能量流失。

最終結果顯示這個 TPV 組合,能將 2,400°C 鎢絲發出的能量的 41.1% 轉換為電能。

團隊指出,這類儲熱系統較為微型,且用地少,可幫助一些小村莊或大型電廠輔助製造出足夠的電力。

來源:

Science, ‘Thermal batteries’ could efficiently store wind and solar power in a renewable grid

https://www.science.org/content/article/thermal-batteries-could-efficiently-store-wind-and-solar-power-renewable-grid

報告:

LaPotin, A., Schulte, K.L., Steiner, M.A. & et al. (2022). Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature 604, 287–291. doi: 10.1038/s41586-022-04473-y

文/AC、審/WL

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