热光伏（TPV）是什么一次能源所转化而来的？

“十四五”以来，我国一直倡导实现绿色低碳生活。电是人们生活中不可缺少的能源，但要让电真正成为一种清洁、绿色的能源，还要看它是由什么一次能​​源转化而来的。

从事光伏建筑的一定要熟悉PVT技术。太阳能光伏光热系统（PVT）可以同时提供电力和热量。它的主要部件是太阳能电池和集热器。一方面，它控制太阳能电池的工作温度。一方面，有效利用带走的热量，从而提高太阳能的整体效率。

热力光伏（TPV）是一种热红外光伏电池，主要是将高温热辐射体的能量通过半导体电池直接转化为电能。热能光伏电池的原理其实和太阳能电池差不多，只是使用的光源不同，但同样可以将光能转化为电能，可以实现能量储存和转换的方法。

最近，麻省理工学院 (MIT) 和国家可再生能源实验室 (NREL) 设计了一种新型热光伏 (TPV) 电池，可以将热能转化为电能，效率超过 40%。在传统的蒸汽轮机上。发表在《自然》杂志上的研究人员表示，这些发现可能有助于使电网规模的热电池成为一种可再生能源，从而有助于使电网无碳。

这种类似太阳能电池板的热能光伏电池被动地从白炽热源捕获高能光子并将其转化为电能，可用于在高达 1900-2400 摄氏度的温度下发电。

借助新的 TPV 电池，该团队现已在单独的小规模实验中成功展示了系统的主要部分。他们目前正在努力整合这些部分，然后展示一个完全可操作的系统。他们希望随后扩展该系统以取代化石燃料发电厂，并实现完全由可再生能源供电的完全脱碳电网。

跨越鸿沟

全球 90% 以上的电力来自煤炭、天然气、核能和聚光太阳能等热源。一个世纪以来，蒸汽轮机一直是将此类热源转化为电能的行业标准方法。

平均而言，蒸汽轮机将大约 35% 的热源可靠地转化为电能，迄今为止所有热机的最高效率约为 60%。但是这些机器依赖于受温度限制的运动部件。 2000 摄氏度以上的热源，例如 Henry 等人提出的热电池系统，对于涡轮机来说太热了。

近年来，科学家们一直在研究固态替代品——没有移动部件的发电设备光伏电池模拟器，可以在更高的温度下高效运行。

Henry 说，固态能量转换器的一个优势是它们可以在更高的温度下运行，维护成本更低，因为它们没有移动部件，只需放置在那里即可可靠地发电。

热光伏电池为探索固态发电设备提供了一条途径。就像太阳能电池一样，TPV 电池可以由具有特定带隙（材料的价带和导带之间的间隙）的半导体材料制成。如果材料吸收了足够高能量的光子，它可以将电子踢过带隙，然后电子可以通过带隙传导，从而产生电能。这样做不需要转子或叶片。

电池的高效率来自多种因素。第一个是使用多结电池，它可以通过减少热化损耗更有效地转换入射光谱的不同能带，第二个是使用带隙比 TPV 通常使用的材料具有更高的带隙和更高热量的材料源温度。

通常，TPV 的目标带隙约为 0.7 eV，源温度低于 1300°C，转向更高的带隙（1.0 到 1.4 eV）会带来优势。事实上，当移动到更高的带隙时，可以获得更高的电压，从而提高整体效率。

捕捉光线

在他们新的 TPV 设计中，研究团队希望从更高温度的热源中捕获更高能量的光子，从而更有效地转换能量。与现有的 TPV 设计相比，该团队的新电池使用的材料具有更高的带隙和多个结或材料层。

电池由三个主要区域组成：高带隙合金位于带隙稍低的合金之上，最底层是镜面状的金层。第一层捕获热源中能量最高的光子并将其转换为电能，而穿过第一层的较低能量光子被第二层捕获并转换以增加产生的电压。任何穿过第二层的光子都会被镜面反射回热源，而不是作为废热被吸收。

该团队通过将电池放置在热通量传感器上来测试电池的效率，该传感器直接测量从电池吸收的热量。他们将电池暴露在高温灯下，并将光线聚焦在电池上。然后，他们改变了灯泡的强度或温度，并观察了电池的功率效率（与吸收的热量相比，它产生的电量如何随温度变化）。在 1900 至 2400 摄氏度的温度范围内，新型 TPV 电池的效率保持在 40% 左右。

实验中的电池约为一平方厘米。对于电网规模的热电池系统，Henry 设想 TPV 电池必须扩大到约 10,000 平方英尺（约四分之一足球场），并将在温度控制的仓库中运行，以从一个巨大的太阳能存储库中取用电。他指出，现在有一个制造大型光伏电池的基础设施，也可用于制造 TPV。

研究人员表示，如果使用更好的反射器，这些设备的效率可以提高到 50% 以上。 2020 年，另一组研究中的反射器实现了 98% 以上的反射率。科学家们表示，将这种反射器与新型热光伏相结合，在 2,250°C 时可实现超过 56% 的效率，或在 1,900 至 2,400°C 范围内实现超过 51% 的平均效率。

前景

研究人员计划将 TPV 电池集成到电网规模的热电池中。该系统将从太阳能等可再生能源中吸收多余的能量，并将这些能量储存在一个高度绝缘的热石墨储层中。当需要能源时，例如在阴天，TPV 电池会将热量转化为电能并将能量分配给电网。

基于涡轮机的发电系统的成本通常为每瓦 1 美元，但对于热光伏发电，可以将其降低到 0.每瓦 10 美元的数量级。

1.4/1.2 eV 和 1.2/1.0 eV 系列器件，用于 TPV 电池，1900– 用于热能电网存储 (TEGS) 应用 2400 °C 变送器温度范围优化。 TEGS 是一种低成本的电网规模储能技术，它使用 TPV 将热量转化为高于 2000°C 的电能，这是涡轮机无法达到的状态。它是一种电池，可将电能转化为高温热量，储存热量，然后通过 TPV 按需将其转换回电能。尽管 TEGS 最初是用熔融硅存储介质构想的，但石墨存储介质更便宜（0.每公斤 5 美元），每单位能源 (CPE) 的预期资本成本低于每千瓦时 10 美元。该成本非常低，以至于 TEGS 能够满足长期储能的拟议成本目标（

因此，TEGS 的普及最终可以通过使电网脱碳（约占排放量的 25%），然后让无二氧化碳的电力为交通部门的车辆充电（约 15%），最终将全球二氧化碳排放量减少约 40%。 % 的排放量）。实现 40% 的 TPV 效率是值得注意的，因为这意味着 TEGS 以及一系列其他潜在应用现在是可行的。这些应用包括其他储能技术、天然气、丙烷或氢燃料发电以及高温工业废热回收。

TPV 的另一个选择是将它们与氢燃料技术相结合。在这种情况下，TPV 相对于涡轮机的一些优势包括成本更低、响应时间更快、维护成本低、燃料灵活，以及在较小的发电规模（约 10 兆瓦）下具有成本效益的能力。

该团队现在计划在热电池原型系统中测试其电池并进行试点演示。他们还希望通过将它们反射的不可用辐射的比例提高到 97-98%，将电池的效率进一步提高到 50%。

就可持续性而言，这项技术具有巨大的净积极作用，在其生命周期内安全且环保，并且可以对减少电力生产中的二氧化碳排放产生巨大影响，这是道路上绝对关键的一步促进可再生能源和实现完全脱碳的电网。

十年研发

麻省理工学院 (MIT) 于 2014 年初宣布，它已开发出一种将太阳能转化为电能的新方法。一种称为热光伏 (TPV) 发电的技术。

TPV发电的思路是将来自太阳的所有电磁波，如可见光，转化为热能，再通过一种叫做“发射器”的固体元素，将热能转化为特定波长的光，最后使用普通太阳能。电池接收此光并将其转换为电能。作为提高太阳能电池发电效率的技术，有关方面正在研究仅将紫外光和红外光转化为可见光的波长转换技术。 TPV 可以说是其中之一，但 TPV 与其他技术的不同之处在于它还可以转换可见光波长。 .

当时的太阳能电池只能将支持太阳能电池带隙的特定波长附近的光能转化为电能。而TPV发电预计将使用几乎所有的太阳能，因此“在理想情况下，可以实现80%以上的转换效率”（MIT）。

TPV发电的概念已经存在了20多年，世界各地的相关研究机构都在进行研究。不过MIT表示“之前最高转换效率只有1%左右”，而该校开发的新方法实现了3.2%的转换效率，是过去的三倍多，并发现一种提高转换效率的方法。 Pathway，“通过技术改进，有望实现20%的转化效率”。

之前效率没有提高的原因是，很难从高温状态下的电磁波中只获得特定波长的辐射。以前已经尝试使用一些稀土元素、特殊的量子阱和光子晶体来形成发射器。

当时，麻省理工学院使用双层结构材料作为发射极，由多层碳纳米管（CNTs）和使用Si/SiO2的一维光子晶体组成。多层碳纳米管可以高效吸收光和红外线。光子晶体的作用是将碳纳米管吸收的能量释放到特定波长。

MIT 的原型 TPV 发电发射器为 1 平方厘米。以750x聚光镜的效果照射模拟太阳光，将发射器加热到962°C，得到3.2%的转换效率。

《中国分布式光伏应用潜力研究报告》即将发布！

2021年6月20日，国家能源局印发《国家能源局综合司关于报送全县（市、区）屋顶开发试点方案的通知》，9月14日，国家能源局综合司正式发布《关于公布全县（市、区）屋顶分布式光伏发展试点名单的通知》。文件指出，共报送试点县（市、区）676个，均被列为全县（市、区）屋顶分布式光伏发展试点。分布式光伏迎来前所未有的发展机遇。

2021年底，国资委印发《关于推动中央企业高质量发展做好碳达峰和碳中和工作的指导意见》；国家能源局等三部门印发《关于加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》；工信部等五部门联合印发《智慧光伏产业创新发展《行动计划（2021-2025年）》。国家层面密集出台文件，大力引导和支持分布式光伏高质量快速发展。可以预见，我国分布式光伏装机容量将继续保持较快增长。增长动力，分布式光伏也将借助技术创新与新型电力系统深度融合，在实现能源绿色低碳转型中发挥越来越大的作用。

根据国家能源局的数据，到2021年底，分布式光伏累计并网容量为107.5吉瓦，占光伏总装机容量的35%。特别是2021年以来，在全县（市、区）屋顶分布式光伏发展等政策刺激下，分布式光伏新增装机首次超过集中式光伏。尤其值得一提的是光伏电池模拟器，户用光伏装机规模出现爆发式增长，2021年新增装机21.5GW，占分布式光伏新增装机近四分之三。分布式光伏在用户侧的市场活力和渗透率可见一斑。

但分布式光伏在发展过程中也遇到了很多问题：

鉴于以上问题以及当前分布式光伏产业的发展前景，优绿智库将于近期推出《中国分布式光伏应用潜力研究报告》。为您分析：