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每平方米100至200瓦的功率相比，夜間的發(fā)電量僅為區(qū)區(qū)50毫瓦/平方米。“但對于LED燈、手機或小型傳感器等低功率密度應用而言，它在經(jīng)濟上已經(jīng)很有吸引力了，”斯坦福大學電氣工程教授范山輝（Shanhui Fan）說。他與其他共同作者在《應用物理快報》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，夜間指向天空的標準太陽能電池的溫度低于環(huán)境空氣溫度。這會產(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（TEG）模塊集成在一起，將溫差轉換為電能。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至TEG。TEG的另一側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改裝在一起來進行夜間發(fā)電，但要使這些設備很好地協(xié)同起來，關鍵是太陽能電池和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)。
他們的團隊于2021年10月在加利福尼亞州斯坦福的一個屋頂上對一個TEG集成太陽能電池原型進行了為期三天的測試。結果顯示夜間發(fā)電量為50毫瓦/每平方米。該團隊估計，在更熱、更干燥的氣候中，同樣的配置可以產(chǎn)生高達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空間，因為他們所使用的傳統(tǒng)太陽能電池不是為輻射冷卻而設計的。它發(fā)射的是波長在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，太陽能電池溫度將會更低，從而使溫差更大，最終增大TEG的功率。
“原則上，可以設計太陽能電池的熱發(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。“我們的理論計算表明，電池功率有可能達到幾百毫瓦甚至到1瓦。”
這一斯坦福團隊計劃設計新的太陽能電池來改善夜間發(fā)電性能，并計劃擴大原型。成本是擴大原型這一想法的一個障礙，因為TEG常常由昂貴的材料制成。該團隊尚未進行詳細的成本分析，但范說，對于同類事物的比較，必須將具備夜間配置的24小時太陽能電池進行比較。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得多，范教授說：“我們的初步計算表明，在某些應用場景中，熱電有可能超越電池方法。”
（編譯：國核自儀 陳瀟莉，轉載請注明出處）
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