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科技新知

轉換效率高達40%,熱光電開拓再生能源、廢熱運用新發展

  • 發佈日期:2022/8/5
  • 資料來源:數位時代
  • 點閱次數:604次
2022.08.04 | 林鍵鱗

熱光電開拓再生能源

利用太陽能的研究越來越被重視,在此背景下,作為次世代太陽能高度利用技術,從熱製造電的「TPV(熱光伏)發電」技術也越來越受到矚目。

近年來為了減輕環境負擔,實現永續能源社會,利用太陽能的研究越來越被重視,在此背景下,作為次世代太陽能高度利用技術,從熱製造電的「TPV(熱光伏)發電」技術也越來越受到矚目。

美國研究團隊今年春天在NATURE雜誌發表實現熱能轉換效率約40%的TPV發電,超越轉換效率約35%的傳統蒸汽渦輪機、與轉換效率約20%的一般矽太陽能電池,被期待可以將再生能源作為「熱電池」使用,或是有效利用廢熱。

根據《朝日新聞》報導,新潟大學副教授櫻井篤表示,TPV是「thermophotovoltaic(熱光伏)」的簡稱,原理是太陽或高溫金屬等熱源會散發「輻射光」,將其透過光電轉換的機制來變成電能,在進行光電轉換時,會使用結合鎵與銦等的化合物半導體。
 
TPV發電示意圖,以太陽光或廢熱等「熱源」加熱「發射體」,將加熱後所散發的「輻射光」以「光電池」轉換成電力。

美國麻省理工學院(MIT)與美國再生能源研究所團隊,透過結合鎵等研發出1公分正方形「TPV Cell(熱光伏電池)」,藉由1900~2400度熱源所散發的輻射光,可實現轉換效率40%的發電。

研究團隊正考慮今後繼續發展技術加以大型化,來打造如「熱電池」般的系統,是以再生能源所產生的電力加熱碳(石墨)塊並蓄熱,而在需要時用於發電。

MIT研究人員表示:「此項技術安全且環保,並且對於抑制發電時所會產生的碳排有非常大的效力」,研究成果已刊載於雜誌網站(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y)。

可用不可見光發電,轉換效率最高可達85%
TPV發電類似於藉由矽半導體等將光轉換成電的太陽能電池,而兩者有什麼不同呢?

太陽光中包含紫外線與紅外線等各種光,太陽能所能夠使用的主要是肉眼可見的光,僅限於其中的一部分,而一般矽太陽能電池的效率僅止於20%左右。

相較於此,TPV發電除了肉眼所能看見的輻射光外,也能夠使用紅外線等不可見光。根據櫻井篤表示,近年來研究越來越熱門,理論上效率值預估可高達85%,目前研究方向是藉由巧妙控制從熱源散發的輻射光,盡可能地削減發電所不需的輻射光,來提高TPV發電的效率。

本次MIT研究團隊是如何提高發電效率的呢?根據東北大學副教授清水信表示,要點在於充分利用輻射光,將TPV CELL所未吸收的輻射光,以金所形成的鏡面反射回熱源,來抑制能量的損失。

另外,使用高溫熱源也有助於提高效率,因為存在著溫度越高,從熱源所散發知輻射光的能量密度便越高的法則。

工廠或焚化爐廢熱進行TPV發電,實現減碳社會
TPV發電在美國從1960年代起便開始研究,而日本國內則有東北大學等率先著手研究。東北大學副教授清水信與教授湯上浩雄將TPV發電視為能夠充分利用太陽光的技術,目前正與企業共同進行研究,要將矽太陽能電池所無法用於發電的光,巧妙地轉變成可用於TPV發電的輻射光。

清水信表示:「TPV發電也可以使用太陽以外的熱源,所以或許也能夠應用工廠或焚化爐的廢熱」他並說明,TPV存在著將能源效率提升到現在矽太陽能電池2倍之40%的可能性,未來希望將其發展成能夠有助於減碳的技術加以實用化。

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