MITの新しい研究により、熱太陽光発電の効率が40%に向上

この熱光起電力セルは、太陽電池パネルに似ており、白熱熱源から高エネルギー光子を受動的に捕捉し、電気に変換します。電気を生成するために使用される熱源は、摂氏 1,900 度から 2,400 度まで高温になることがあります。

研究者らは、TPV セルをグリッド規模の熱電池に統合することを計画しています。このシステムは、太陽光発電などの再生可能エネルギー源から余剰エネルギーを引き出し、そのエネルギーを断熱性の高いグラファイト蓄熱槽に蓄える。曇りの日などエネルギーが必要な場合、TPV セルは熱を電気に変換し、そのエネルギーをグリッドに分配します。

研究チームは、新しい TPV セルを使用して、個別の小規模実験でシステムの主要部分を実証することに成功しました。彼らは現在、これらの部品を統合し、完全に機能するシステムを実証する作業を行っています。彼らはその後、このシステムを拡大して化石燃料発電所を置き換え、完全に再生可能エネルギーで稼働する脱炭素化電力網を実現したいと考えています。

「熱光起電は、熱電池が実現可能な概念であることを証明するための最終的かつ重要なステップです」と、MITの機械工学教授アセガン・ヘンリー氏は言う。「これは、再生可能エネルギーを拡大し、完全に脱炭素化された電力網を実現するための、極めて重要なステップです。」

ヘンリー氏とその協力者はその研究結果をネイチャー誌に発表した。 MITの共著者には、Alina LaPotin、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf、フォード工学教授で機械工学部長のEvelyn Wang、およびコロラド州ゴールデンのNRELのKevin Schulteらが含まれます。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

溝を越える

世界の電力の90%以上は、石炭、天然ガス、原子力、集光型太陽熱発電などの熱源から供給されています。 1 世紀にわたって、蒸気タービンはそのような熱源を電気に変換する業界標準の方法でした。

平均して、蒸気タービンは熱源の約 35% を確実に電気に変換し、現在までのすべての熱機関の最高効率は約 60% です。しかし、これらの機械は温度制約を受ける可動部品に依存しています。ヘンリーらが提案した熱電池システムのような 2000°C を超える熱源は、タービンには高温すぎる。

近年、科学者たちは、高温でも効率的に作動できる固体代替品（可動部品のない発電装置）を研究している。

「固体エネルギー変換器の利点の 1 つは、可動部品がないため、メンテナンス費用を抑えながら高温で動作できることです」とヘンリー氏は言います。「変換器はただそこに置かれ、確実に電気を生成します。」

熱光起電力セルは固体発電の有望な手段を提供します。太陽電池と同様に、TPV セルは特定のバンドギャップ (材料の価電子帯と伝導帯の間のギャップ) を持つ半導体材料から作ることができます。十分に高いエネルギーを持つ光子が物質に吸収されると、電子がバンドギャップを越えて飛び出し、伝導して電気を生成します。これはローターやブレードを必要とせずに行われます。

現在までに、ほとんどの TPV セルは 20% 程度の効率しか達成しておらず、最高記録は 32% です。これらのセルは、低温、低エネルギーの光子を変換する比較的バンドギャップの低い材料で作られているため、エネルギー変換効率は低くなります。

光を捉える

ヘンリー氏と彼の同僚は、新しい TPV 設計で、より高温の熱源からより高エネルギーの光子を捕捉し、それによってエネルギーをより効率的に変換することを期待しています。既存の TPV 設計と比較して、チームの新しいセルは、より高いバンドギャップと複数の接合、つまり材料の層を持つ材料を使用しています。

セルは、低バンドギャップ合金の上に高バンドギャップ合金が重なり、その下に鏡のような金の層が重なる、3 つの主な領域で構成されています。最初の層は熱源からの最高エネルギーの光子を捕捉して電気に変換し、一方、最初の層を通過する低エネルギーの光子は 2 番目の層によって捕捉され、変換されて生成される電圧が増加します。 2 番目の層を通過した光子は、廃熱として吸収されるのではなく、ミラーによって反射され、熱源に向かって戻ります。

研究チームは、バッテリーから吸収される熱量を直接測定する熱流センサーの上にバッテリーを配置して、バッテリーの効率をテストしました。彼らは細胞を高温のランプにさらし、その光を細胞に集中させました。次に、電球の強度や温度を変えて、電池の電力効率（吸収する熱量に対する発電量）が温度によってどのように変化するかを観察しました。新しい TPV セルは、1900 ～ 2400 ℃ の温度範囲で約 40% の効率を維持します。

「熱電池に適した温度範囲で高い効率が得られます」とヘンリー氏は言う。

実験に使用した電池の大きさは約1平方センチメートルでした。ヘンリー氏は、グリッド規模の熱電池システムの場合、TPV 電池を約 10,000 平方フィート (フットボール競技場の約 4 分の 1) まで拡大し、温度管理された倉庫で稼働させて、膨大な太陽エネルギー貯蔵庫から電力を引き出す必要があると想定しています。同氏は、大規模な太陽電池を製造するためのインフラがすでに存在しており、TPVの製造にも利用できる可能性があると指摘した。

「持続可能性の面では、間違いなく大きなプラス効果があります」とヘンリー氏は語った。 「この技術はライフサイクル全体を通じて安全かつ環境に優しく、電力生産におけるCO2排出量の削減に大きな影響を与える可能性があります。」