利用热光电效应增强储能

 利用电网的备用容量加热碳块，并利用高效的热光伏回收这些能量，为储能提供了一个受欢迎的解决方案。

 

Richard Stevenson

 

十多年前，似乎III-V族化合物注定要在绿色电网方面发挥重要作用。采用高效 电池的系统，从黎明到黄昏收集集中的阳光，有望降低在阳光充足地区生产太阳能的成本，进而推动可再生能源的部署。但是，全球信贷紧缩和硅板价格暴跌的双重打击让这个新兴行业陷入了困境，并阻止了一个真正简洁的能源生产解决方案产生应有的影响。

 

但也许，仅仅是也许，将辐射转化为电能的III-V器件并没有永远被忘记，仍然可以为能源行业做出重大贡献。通过将吸收最有效光波延伸到更长的波长，III-V电池有望帮助遏制化石燃料的消耗。怎样通过帮助解决能源储存这一令人烦恼的挑战？其想法是建立一个系统，利用电网内多余的电力将碳块加热到远高于1000℃的温度，在III-V热光伏电转换之前，随着储热器冷却的冷却，将热能转换回电能。这是西海岸初创企业Antora Energy的愿景，该公司以创纪录的热光伏电池而自豪，并计划在今年晚些时候大规模展示其技术。

 

Antora的起源可以追溯到2017年，当时它的两位联合创始人Justin Briggs和Andrew Ponec开始讨论他们离开斯坦福大学后将做什么。两人都有应对气候变化的强烈愿望，认为能源储存是最大的问题。

 

“我们从一个完全不依赖技术的角度出发，如何以低成本储存廉价的太阳能和风能，从而在原材料经济上击败化石燃料？”现任Antora首席运营官的Briggs说。

 

为了寻找答案，这对夫妇探索了许多选择。虽然水力发电计划有很多优点，但在许多地方，地形并不适合。我们需要的是一种通用的方法。在这种情况下，氢能提供最好的解决方案吗？还是某种热力系统？或者是一个机械存储装置；基于类似飞轮的动态存储系统；还是一项涉及压缩空气的发明？

 

当他们仔细考虑所有这些选择时，Briggs和Ponec联系了他们的第三位联合创始人David Bierman，他是一位拥有麻省理工学院博士学位的企业家。当时，这三人都在参加hardtech创业者激活奖学金。

 

Briggs、Ponec和Bierman一拍即合。除了分享通过能源储存解决气候变化的强烈愿望外，他们对公司应该如何开展业务持非常相似的观点。

 

他们的理念不仅仅是希望组建一支出色、强大的团队，用绿色能源储存系统来实现世界脱碳。他们还希望创造一种积极的、支持性的公司文化，让每个人都通过欢乐和笑声联系起来。“我们正在解决一个非常棘手的问题，”Briggs说。“气候变化是极其艰难和可悲的，当你在处理一个重大而棘手的问题时，有时你需要被周围的人鼓舞。”

 

这些企业家的另一个特点是开放、谦逊的态度。他们知道自己没有所有的答案，并接受这样一个事实，即并不总是清楚什么是最好的技术和最佳的商业模式。因此，他们向专家、合作者和合作伙伴征求意见。

 

永久的遗产

 

当这三位领导人仔细考虑储存能源的选择时，他们借鉴了以前有创办公司经验的Ponec的知识。在攻读学位期间，Ponec花时间创办了一家名为Dragonfly Systems的公司，随后被SunPower收购。在收购过程中，Ponec结识了SunPower创始人Richard Swanson，他是热光伏的先驱。Swanson的遗产包括打破热光电转换效率的纪录——他在20世纪70年代末和80年代初的努力将效率提升到近30%，这一纪录保持了40年。

 

“我们想，如果你把今天太阳能光伏技术的所有进步，从过去到现在——几十年的研究和数十亿美元的开发资金——都应用到热光伏上，我们能达到什么样的效率？”

 

根据这一推理，创始人们决定从Swanson开创的用于热光伏发电的硅材料转向III-V。“使用那些更高级的材料，你需要支付前期成本，但你可以从效率和功率密度方面获益，”Briggs说。

 

乍一看，这种想法可能会引起一些人的注意，因为III-V芯片成本远远高于其卓越的性能。但这忽略了在用于储热器的温度下，红外辐射非常强烈，它相当于几百个太阳集中系数。所以，像聚光光伏一样，III-V芯片成本较高也是可以接受的。更重要的是，这一次他们没有与聚焦辐射和调整电池单元以最大化效率的额外系统成本。

 

根据Briggs的说法，为这种热储存选择最佳物质相对容易。他认为碳是一种“超级英雄”材料，结合了难以置信的高比热容、高耐热冲击性、热机械耐久性和坚固性、低成本和非常广泛的工作范围。请注意，碳在环境温度下不会熔化，但在3000℃以上会升华，远远超过高效储热器的实际温度。例如，虽然在1500℃有许多标准绝缘材料，但在3000℃选择非常有限。

 

图1：Antora的一个原型蓄热系统照片。该系统的容量为500 kWh，已用于演示该技术的核心功能。

 

Briggs和他的同事与NREL的工程师（主要是Myles Steiner 和Dan Friedman）合作，打破了热光伏电池的记录。2020年夏天，在加拿大卡尔加里举行的第47届IEEE光伏专家会议上，他们宣布了在2330℃和1300℃温度下从储热器收集能量的GaAs和InGaAs电池的效率值分别为31%和30% ℃。从那时起，Antora的员工继续改进他们的器件，同时与一家代工厂合作。最好的电池现在的效率达到45%左右。

 

虽然这些器件的设计在很大程度上借鉴了III-V太阳能电池的设计，但也存在一些关键的差异。除了边缘吸收的明显变化外，可以说最大的变化是后反射器。在太阳能电池中，低于电池带隙的光子不会被吸收，而这种能量只能丢失。但在一种高性能的热光伏技术中，这些光子可以反射回储热器，使其能量得以回收。

 

Briggs解释说：“这基本上消除了一种重大损失机制，阻止了低能辐射的损失，并将其保留在系统中。”低能量光子返回到储热器后被转换成声子，补充了碳块所持有的能量。

 

由于高温储热器产生的强烈辐射，热光伏必须处理非常高的电流密度。这将导致大量欧姆损耗。为了对抗这种情况，Antora的团队努力降低了电池内的串联电阻。

 

性能的进一步提高来自于提高材料的晶体质量。这确保了很长的辐射寿命和较高的外部辐射效率，从而使器件具有较高的转换效率。

 

热力学方面的考虑表明，电池需要冷却以最大限度地提高效率。由于这些器件没有真正靠近被加热的碳，基本上所有的热传递都是通过辐射进行的；在这种几何结构中，照射在电池上的辐射强度并不显著依赖于分隔距离。为了优化系统的性能，电池被冷却到100℃以下，精确的温度平衡了更高转换效率和冷却所需的能量消耗。

 

与聚光光伏不同，系统的效率非常接近电池。碳块的电阻加热几乎100%有效，升压和降压产生的电损耗以及与辅助负载相关的电损耗最小。同时，通过隔热层的能量泄漏约为每天1%。“在这整个链条中，到目前为止，热光伏效率是最大的损失。”

 

巨大的增益

 

好消息是，这些器件的效率虽然令人赞叹，但仍远未达到可能的水平。Briggs认为，该团队可以通过以下方式达到50%或更高的效率：改进器件的后反射器，降低串联电阻，提高晶体质量。虽然单结太阳能电池的效率（由Shockley-Quessier极限定义）仅低于34%，但热力学方面的考虑表明，热光伏的上限可超过60%。如果将单结器件替换为多结变体，则可能出现更高的值。

 

尽管Briggs及其同事设计的器件效率可以接近60%，但打破记录并为这些成就争取当之无愧的宣传并不是他们议程上的重点。目前，他们的精力正用在演示一个试验性系统，该系统由一家代工厂生产的电池组成，其效率足以将这项技术商业化。

 

到目前为止，该团队的电池的总输出功率为50 kW,，足以满足模块化系统的第一个电源单元，该模块化系统最终将具有100 MWh的电能存储容量，以及约1 MW的电能容量（有关此类系统的详细信息，请参见图2）。希望这个以客户为中心的试点项目能让其他潜在客户掌握Antora技术的能力并下订单。

 

如果该公司的技术起飞，热光伏技术开始在世界各地部署，通过储能来帮助绿色电网，这对整个 行业来说将是一个好消息，对III-V基材和半导体代工厂的制造商来说，这将是一个巨大的商机。

 

Briggs说：“我们一般都是III-V光电产品的粉丝。我们认为这只是一项很酷的技术。如果一切顺利，我们希望能够成为该市场的驱动力。”

 

让我们期待这一切发生。如果做到了这一点，绿化了电网和制造业，III-V器件将在许多行业提供更好的性价比，包括通信、汽车和医疗保健。

 

来自多个组织的资金使Antora得以实现其愿景，即利用电网中的多余能源来加热太阳能贮热器，并通过高效的热光伏技术为工业过程提供热量的热发电，重新获取这些能量。Antora的初始投资来自斯坦福的TomKat可再生能源中心（TomKatCenter for Sustainable Energy）和激活研究金项目（Activate Fellowship）。从那时起，其支持资金来自多个联邦和州拨款，包括来自国家科学基金会、加州能源委员会、先进制造办公室和ARPA-E的，还有私人风险投资者。

 

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