研究者表示,他們設(shè)計的光伏電池裝置可以為 LED 燈或者手機充電。
通過利用太陽能電池板和周圍空間之間的溫差,工程師們已經(jīng)制造出了可以在夜間發(fā)電的太陽能電池。與日間太陽能電池每平方米發(fā)電 100 至 200 瓦相比,夜間功率可以達到 50 毫瓦 / 每平方米。
這項研究近日發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》上,論文的標題為《Nighttime electric power generation at a density of 50 mW/m^2 via radiative cooling of a photovoltaic cell》,作者分別來自斯坦福大學(xué)和 ASML 公司。
論文作者之一、斯坦福大學(xué)電氣工程教授 Shanhui Fan 表示,「對于 LED 燈、手機充電或者為小型傳感器充電等低功率密度應(yīng)用來說,夜間發(fā)電的太陽能電池在經(jīng)濟上很有趣?!?/p>
Fan 及其同事利用了輻射冷卻的概念,在這種現(xiàn)象下,材料在吸收了一整天的太陽能之后將熱量輻射到天空中。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)。并且,由于這種現(xiàn)象的影響,朝向天空的標準太陽能電池在夜間的溫度低于周圍空氣的溫度,這會導(dǎo)致熱量從周圍空氣流向太陽能電池。Fan 等正是利用這種熱流動來發(fā)電。
輻射冷卻原理圖。圖源:法國里昂國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院。
為此,研究者將一塊光伏電池(PV)與商用熱電發(fā)電機(TEG)模塊集成在一起,將溫差轉(zhuǎn)換為電能。其中,TEG 位于太陽能電池下方,它們之間的鋁鍍片材料將熱量從太陽能電池傳導(dǎo)至 TEG。TEG 的另一側(cè)通過一個散熱器連接到周圍空氣。下圖 1 為夜間利用光伏電池的輻射冷卻發(fā)電流程。
雖然現(xiàn)有太陽能電池板在利用 TEG 改裝后可以在夜間發(fā)電,但使這些設(shè)備協(xié)同良好工作的關(guān)鍵是太陽能電池與 TEG 之間的熱接觸非常緊密,這是改裝方案必須克服的一個挑戰(zhàn)。
PV-TEG 設(shè)備的設(shè)計原理圖和原型機。
2021 年 10 月,研究團隊在斯坦福大學(xué)的一處屋頂上對 TEG 集成的太陽能電池原型機進行了為期三天的測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn),夜間發(fā)電達到了 50 毫瓦 / 每平方米。他們估計在更熱更干燥的氣候中,相同的裝置可以達到 100 毫瓦 / 每平方米。
多天的溫度和功率測量。
Fan 表示未來還有很大的改進空間,畢竟他們使用的傳統(tǒng)太陽能電池不是為輻射冷卻而設(shè)計的。它發(fā)射波長 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,太陽能電池可以在夜間變得更冷,從而增加溫差以及 TEG 產(chǎn)生的功率。
他表示,「原則上可以設(shè)計太陽能電池的熱發(fā)射特性,以在不影響太陽能性能的情況下優(yōu)化它的輻射冷卻性能。我們的理論計算表明有可能達到數(shù)百毫瓦甚至 1 瓦。」
目前,研究團隊計劃設(shè)計新的太陽能電池來改進夜間發(fā)電,并擴展他們的原型機。成本可能是一大難題,這是因為 TEG 通常是由昂貴的材料制成。團隊還沒有進行詳細的成本分析,不過 Fan 認為,他們必須將 24 小時太陽能電池與夜間裝置進行比較,后者裝置在白天產(chǎn)生太陽能然后再夜間使用電池獲得電力。
相比電池通常的五年使用壽命,TEG 模塊的使用壽命要長得多,根據(jù)研究者的初步計算,在一些應(yīng)用場景中熱電可能要勝過電池方法。
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