太阳能真空管在大雪情况下升温吗（热电池有效储存风能和太阳能）

太阳能真空管在大雪情况下升温吗（热电池有效储存风能和太阳能）对于这种新设备，麻省理工学院的机械工程师阿塞贡·亨利(Asegun Henry)对发射器和TPV本身进行了修补。之前的TPV装置将发射器加热到1400 ℃左右，在被优化的波长范围内使其亮度最大化。亨利的目标是将温度提高到1000 ℃，这样钨就能发射出更多的高能光子，从而改善能量转换。但这也意味着要重新设计TPV。当上世纪60年代第一批TPV被发明出来时，它们只能将百分之几的热能转化为电能。这一效率在1980年跃升至30%左右，此后基本上一直停滞不前。一个原因是，钨和其他金属倾向于辐射光谱广泛的光子，从高能紫外线到低能远红外。但是所有的光伏技术，包括TPV，都只在一个狭窄的（频率）范围内优化了光子吸收，这意味着高频率和低频率的光往往会被浪费。[图注] 在熔融的物质中以热量的形式储存，需要时可以利用额外的能量这个想法基于将多余的风能或太阳能电力输送到加热元件，从而将液态金属浴或石墨块的温度提高

[问题背景]

如何将可再生能源封存起来，以备不时之需？这是阻碍绿色电网建设的最棘手问题之一。答案之一是超大型电池组。但它们价格昂贵，且适合储存几个小时，而不是在多云或无风的天气里储存几天。另一种策略是利用剩余的能量将大量材料加热到超高温状态，然后根据需要利用这些能量。本周，研究人员报告了该计划的一个关键部分的重大改进：一种将储存的热量转化为电能的设备。

[最新发现]

麻省理工学院Asegun Henry团队在2022年4月13日发表在《自然》期刊的一篇文章说明，他们和美国国家可再生能源实验室共同实现了近30%热光电效率(TPV)的半导体结构，将热源所发射的光子转换为电能，太阳能电池将太阳光转化为电力。密歇根大学安娜堡分校的材料工程师Andrej Lenert说，这是非常令人兴奋的发现。这是(TPV)第一次进入真正有前景的效率范围，对许多领域至关重要。他说，加上相关的进展，这项新工作有助于大规模推广热电池在可再生能源系统的廉价备用领域应用。

[图注] 在熔融的物质中以热量的形式储存，需要时可以利用额外的能量

这个想法基于将多余的风能或太阳能电力输送到加热元件，从而将液态金属浴或石墨块的温度提高到几千度。热量可以通过产生蒸汽来驱动涡轮机，然后再转化为电能，但这也有利弊。高温提高转换效率，但涡轮材料开始在1500 ℃开始破裂。TPV提供另一种方案：漏斗存储热金属薄膜或纤维，设置发红的钨丝白炽灯泡，然后使用TPV吸收发射的光，转换成电。

图1 a，涉及不同电池材料TPV相关文献的数据比较。b，照射到TPV的能量，能够部分转换为点能，部分反射回光发射器，或转换成热能。c d，这篇文章的研究体系的相关辐射光谱

当上世纪60年代第一批TPV被发明出来时，它们只能将百分之几的热能转化为电能。这一效率在1980年跃升至30%左右，此后基本上一直停滞不前。一个原因是，钨和其他金属倾向于辐射光谱广泛的光子，从高能紫外线到低能远红外。但是所有的光伏技术，包括TPV，都只在一个狭窄的（频率）范围内优化了光子吸收，这意味着高频率和低频率的光往往会被浪费。

对于这种新设备，麻省理工学院的机械工程师阿塞贡·亨利(Asegun Henry)对发射器和TPV本身进行了修补。之前的TPV装置将发射器加热到1400 ℃左右，在被优化的波长范围内使其亮度最大化。亨利的目标是将温度提高到1000 ℃，这样钨就能发射出更多的高能光子，从而改善能量转换。但这也意味着要重新设计TPV。

图2 TPV的相关表征图片。a为反射光谱，b为内量子效率，c和d为不同体系的电流密度

在国家可再生能源实验室研究人员的帮助下，亨利的团队铺设了二十多层不同的薄半导体，制造出两个独立的电池，互相堆叠。顶部电池主要吸收可见光和紫外线光子，而下部电池主要吸收红外光子。底部电池下方的一层薄薄的金片反射出TPV无法捕捉到的低能光子。钨会吸收这种能量，防止它流失。研究小组今天在《自然》杂志上报道，一个TPV串联装置，将2400 ℃钨丝发出的41.1%的能量转化为电能。（DOI：10.1038/s41586-022-04473-y）

亨利的团队看到了做得更好的方法。在2020年10月8日出版的《自然》杂志上（DOI：10.1038/s41586-020-2717-7），勒纳特和他的同事报告称，一种镜子能够将近99%未吸收的红外光子反射回热源。将这面镜子与麻省理工学院研究小组的改进TPV相结合，可能会带来另一个巨大的推动。亨利说：“我们认为我们有一条通往50%效率的清晰道路。”

图3 TPV效率数据图

TPV由III-V（元素周期表III-V族化合物）半导体制成，以组成元素命名，成本比用于屋顶太阳能电池的硅材料更贵。但是热电池的其他部分，包括石墨，都很便宜。在2019年的一篇论文中（EES期刊文章，DOI：10.1039/C8EE02341G），亨利和他的同事算出，即使是35%的热电转换效率，也会使该技术在经济上可行。该团队还创造了陶瓷泵，可以处理在工业规模的热能储存装置周围传输热量所需的超高温液态金属。勒纳特说，他们已经建立了一个在高温下储存和转换热量的基础。

图4 TPV应用在不同的领域的相关示意图和数据图

这一进展引发了商业利益。加州的Antora Energy于2016年成立了一家热能公司。勒纳特和其他人正在关注自己的初创公司。亨利最近成立了一家名为“热电池公司”(Thermal Battery Corp.)的合资企业，以将他的团队的技术商业化。他估计，这种技术可以以每千瓦时10美元的容量储存电能，不到电网级锂离子电池成本的十分之一。麻省理工学院研究生、《自然》杂志这篇论文的第一作者Alina LaPotin表示，将能量以热能的形式储存起来非常便宜，甚至可以一次性储存很多天。

图5 TPV电池温度和相关的热流数据，以及热流示意图

亨利和其他人补充说，热存储系统是模块化的，不像化石燃料发电厂，后者在巨大的、十亿瓦规模时效率最高。马德里理工大学的电气工程师亚历杭德罗·达塔斯(Alejandro Datas)说，无论为小村庄，还是大型发电厂提供电力，都同样出色。储存来自任何规模的太阳能和风力发电场的电力方面，该技术也同样出色。这就是美。

图6 实验装置示意图

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