能在夜間發(fā)電的太陽能電池
2022年4月12日
通過利用太陽能電池板和環(huán)境空氣之間的溫差，工程師們制造出了能在夜間發(fā)電的太陽能電池。
與太陽能電池在陽光燦爛時(shí)每平方米100至200瓦的功率相比，夜間的發(fā)電量?jī)H為區(qū)區(qū)50毫瓦/平方米。“但對(duì)于LED燈、手機(jī)或小型傳感器等低功率密度應(yīng)用而言，它在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)很有吸引力了，”斯坦福大學(xué)電氣工程教授范山輝（Shanhui Fan）說。他與其他共同作者在《應(yīng)用物理快報(bào)》上發(fā)表了這一研究成果。
范山輝和他的同事們利用了輻射冷卻的概念。輻射冷卻指的是材料在吸收了一整天的太陽能量后在夜間將熱量輻射到天空的現(xiàn)象，而其他人之前已經(jīng)利用這種現(xiàn)象來制造冷卻涂料和節(jié)能空調(diào)。由于這種效應(yīng)，夜間指向天空的標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池的溫度低于環(huán)境空氣溫度。這會(huì)產(chǎn)生從環(huán)境空氣到太陽能電池的熱流。“可以收集熱流來發(fā)電，”范說。
為此，研究人員將光伏電池與商用熱電發(fā)電機(jī)（TEG）模塊集成在一起，將溫差轉(zhuǎn)換為電能。TEG位于太陽能電池下方，兩者之間的鋁片將熱量從太陽能電池傳導(dǎo)至TEG。TEG的另一側(cè)通過散熱器連接到環(huán)境空氣。
范山輝說，雖然現(xiàn)有的太陽能電池板可以與TEG改裝在一起來進(jìn)行夜間發(fā)電，但要使這些設(shè)備很好地協(xié)同起來，關(guān)鍵是太陽能電池和TEG之間的熱接觸必須非常緊密，這是改裝解決方案所面臨的挑戰(zhàn)。
他們的團(tuán)隊(duì)于2021年10月在加利福尼亞州斯坦福的一個(gè)屋頂上對(duì)一個(gè)TEG集成太陽能電池原型進(jìn)行了為期三天的測(cè)試。結(jié)果顯示夜間發(fā)電量為50毫瓦/每平方米。該團(tuán)隊(duì)估計(jì)，在更熱、更干燥的氣候中，同樣的配置可以產(chǎn)生高達(dá)100毫瓦/每平方米的功率。
范教授說，電池原型還有很大的改進(jìn)空間，因?yàn)樗麄兯褂玫膫鹘y(tǒng)太陽能電池不是為輻射冷卻而設(shè)計(jì)的。它發(fā)射的是波長(zhǎng)在10微米左右的中紅外范圍內(nèi)的熱波。通過調(diào)整發(fā)射波長(zhǎng)，太陽能電池溫度將會(huì)更低，從而使溫差更大，最終增大TEG的功率。
“原則上，可以設(shè)計(jì)太陽能電池的熱發(fā)射特性，以優(yōu)化其輻射冷卻性能而不影響太陽能發(fā)電性能，”范教授說。“我們的理論計(jì)算表明，電池功率有可能達(dá)到幾百毫瓦甚至到1瓦。”
這一斯坦福團(tuán)隊(duì)計(jì)劃設(shè)計(jì)新的太陽能電池來改善夜間發(fā)電性能，并計(jì)劃擴(kuò)大原型。成本是擴(kuò)大原型這一想法的一個(gè)障礙，因?yàn)門EG常常由昂貴的材料制成。該團(tuán)隊(duì)尚未進(jìn)行詳細(xì)的成本分析，但范說，對(duì)于同類事物的比較，必須將具備夜間配置的24小時(shí)太陽能電池進(jìn)行比較。這樣的夜間配置能在白天生產(chǎn)太陽能，在夜間利用電池來儲(chǔ)存能量。
鑒于TEG模塊的使用壽命比電池的典型五年壽命要長(zhǎng)得多，范教授說：“我們的初步計(jì)算表明，在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，熱電有可能超越電池方法。”
（編譯：國(guó)核自儀 陳瀟莉，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處）
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