麻省理工的新型热光电电池,比电化学储存能量便宜10到100倍

麻省理工的新型热光电电池,比电化学储存能量便宜10到100倍

这是一种新型热机,它的效率很高,旨在与可再生能源协同工作。

上图:热光电电池,也称为“热机”,面积为 1 平方厘米,但其背后的研究团队正在寻求扩大规模。

麻省理工学院(MIT)的研究人员已经建造了一种高效的热光电元件,当与可再生资源配对时,它可以有效地将传入的光子(光粒子)转换为电能。 这一成就可以激发为世界提供能源的新方式。

麻省理工学院的机械工程师、这项新研究的作者阿塞贡·亨利(Asegun Henry)对此解释说:“问题是,当你想要的时候,你却得不到(可再生)能源。只有在天气好的时候:太阳出来或刮风的时候,你才能得到它。”解决这一难题的方法就是阿塞贡·亨利所说的“热电池”,即将太阳能等可再生能源的能量以热量的形式储存起来。

阿塞贡·亨利表示,热电池可以在需要的时候“调度”能源到电网。锂离子电池不足以达到这个目的。他解释说:“遗憾的是,锂离子电池太贵了,为了让我们拥有一个完全可再生的电网,有很多研究都在探讨电池的存储成本必须有多低。这就是我们开发热电池技术的地方,因为以热的形式储存能量,比电化学方式储存能量便宜10到100倍。”

它是如何工作的

热光电电池依赖于一些基本的半导体物理原理。半导体合金中的原子具有带隙,即电子的价壳层和导带之间的距离。当价带中的电子被激发时,它们会被激发,并从价带跳到导带。这种跃迁会导致能量的释放,释放的能量的精确数量取决于带隙的距离。换句话说,释放的能量大小,取决于电子跨越带隙所需的能量。

这个热光电电池中的电子位于合金中,这些合金就像蛋糕的层一样堆叠在一起。这种电池由两层半导体合金和一层反光金制成。在这个实验中的合金,是根据光子的波长来选择的,光子的波长可以为电池提供最高的效率。阿塞贡·亨利说:“如果你想吸收特定频率的光,你可以找出哪种合金能提供你想要的带隙。”

合金在热机中的位置也是一个重要因素。为了捕获最高能量的光子,第一层被设计成有最大的带隙。没有被第一层捕获的光子会进入第二层,并将电子推过更小的带隙。如果一个光子没有足够的能量把一个电子推过第一层或第二层的空隙,这就是金反射层可以把光子反射回光源以减少能量浪费的地方。然而,扭转正是这些光子的来源。

亨利和研究团队在受控的实验室环境中,从热机正上方过热的金属中获得了光子。

亨利解释说:“我们把电送到几英尺外的一个电阻加热器上。”这个电阻加热器就像一个复杂的灯泡灯丝 —— 当能量通过它时,导体发光并变得过热。这种炽热的发光金属释放出被合金层捕获的光子,在热机中产生电能;研究人员发现,加热到3452至4352华氏度(1900至2400摄氏度)的元素提供的效率最高。

在实验室里,把电阻加热器插到墙上的插座上很容易,但研究人员考虑的是真实世界的情况。理想情况下,他们希望将来自可再生资源的能量储存到这些大电池中,然后通过热机获取这些电池。

热机能做什么?

为了将能量存储为热量,可再生能源将为加热液态金属的电阻加热器供电。 然后,液态金属将被泵送到石墨块上,亨利将其描述为“盒子里的太阳”。 假设的“盒子里的太阳”将在实际太阳温度的一半下运行,然后为电阻加热器提供能量,电阻加热器将光子发送到热机,热机将被一个一个地存储在一个大阵列中。

上图:热能网格存储系统的特点是用石墨块来储存热量(左)和一个由热机组成的塔(中),热机通过吸收高能光子来工作(右)。

阿塞贡·亨利也承认,这听起来像是科幻小说里的情节,但同一团队五年前所做的研究激励他们继续推进这一方法。他们是第一个证明,可以泵送超过1832华氏度(1000摄氏度)的液态金属的人,这一成就使他们创造了泵送液态金属的最高温度的吉尼斯世界纪录。

但是,全尺寸热电池和热机电源的潜在危险是,它将在无氧环境中运行。亨利解释说:“这个东西将被保存在一个装满惰性气体的仓库里,比如氩气。那个环境没有空气,所以你不能就这么直接走进去。” 理想情况下,存储系统的设计将使任何服务都可以远程完成,但他表示,定期检查和修复仍然可以安全地完成。

目前,他们的热光电电池运行效率为40%,比之前的设计更好,可与蒸汽涡轮机相媲美。这是一个很有前途的结果,阿塞贡·亨利和他的同事们现在正在努力实现一个更大的目标:将这项技术扩展到一个仓库大小的发电站,并可以与现有的电网相连接。

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