當提到將熱轉換成電力時,科學家們對於沒有運轉部件(moving parts)的固態熱光伏電池(solid-state thermophotovoltaic (TPV) cells)充滿希望,認為它們能夠在更高溫下,達到更高的效率,引導至完全仰賴再生能源的輸電網路。

打破紀錄

TPV 電池從白熱熱源,將高能光子轉換成電力。當與熱電池作結合時,它們可以從太陽捕捉能量,且把能量儲存起來,當有需要時再作為電力釋放出來。

麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的機械工程師艾瑟龔·亨利教授(Asegun Henry)說:「固態能量轉換器的優點之一是,它們可以在較高溫下運作,且維護成本較低,這是因為它們沒有運轉部件。它們就是坐在那,且可靠地產生電力。」

研究人員報導,這樣的 TPV 電池現在已打破了新世界紀錄,達到 40% 的效率。這比起傳統上,用來將熱轉成電力的蒸汽渦輪引擎效率來得佳。一般而言,蒸汽渦輪引擎效率最高到 35%,且也有溫度上限。

轉換效率破紀錄的 TPV 電池可以從攝氏 1900-2400 度的熱源產生電力。那些溫度對傳統的蒸汽渦輪引擎而言太熱了,這是因為有運轉部件參與其中。而現在這些電池的效率也在上升,使得它們更為可行。上一個紀錄的效率是 32%,而至今為止,大部分製造出的 TPV 的效率大約都徘徊在 20%。

這項效率紀錄是使用熱流感測器量測出來的,目的是要量出由電池所吸收的熱,而這電池尺寸大約是一平方公分。一顆高溫燈泡被用來改變電池所暴露的熱量,這揭示說,它實際上適合放進較大的系統中。亨利教授說:「我們可以在與熱電池有關的廣泛溫度下,獲得很高的效率。」

結構與材料設計

效率的改善主要是源自於所使用的材料。這些材料具有所謂的低能隙(bandgap),也就是電子必須跨過的能量差距,來讓電力產生出來。在此,研究人員已使用了較高能隙的材料,還有使用多個結(junctions)(或材料層)。

研究人員使用了三層:一高能隙合金,來捕捉高能量光子,以將它們轉成電力;一低能隙合金,來捕捉從第一層溜出的低能量光子;以及一面金鏡,將已通過的光子反射回熱源,來最小化浪費掉的熱。

未來展望

既然 TPV 電池現在已被證實是可以運作的、可靠的、以及有效率的,科學家們可以開始進行研究來擴大它的規模,並將其與其他元素做結合,來形成一個完整的能量生產系統,以及一個不會在使用時產生任何碳的能量生產系統。

亨利教授說:「TPV 電池是最後關鍵的一步,來展示說熱電池是一個可行的概念。這絕對是關鍵的一步,來增加再生能源、以及達成完全除碳化的輸電網路。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2022, April 18). A Tiny New Heat Engine with No Moving Parts Just Hit an Incredible Energy Milestone ScienceAlert
  2. LaPotin, A. et al., (2022, April 13). Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature. doi.org/10.1038/s41586-022-04473-y
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/a-new-heat-engine-with-no-moving-parts-just-hit-an-incredible-milestone(圖:Felice Frankel)
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