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美国开发出直接利用太阳光的热能发电技术
中国城市低碳经济网   2012-02-27 作者: 来源:中国科技网 文字大小:[][][]

  目前,人们可以利用太阳能电池直接把阳光转为电力;也可以利用阳光加热水,再利用蒸气驱动涡轮,这些都是已经很成熟的技术。但近日,英国《新科学家》杂志网站在报道中指出,从理论上而言,我们还有第三种方法,也就是直接利用阳光的热能来发电。而且,美国科学家使用钨丝制造的设备就做到了这一点,其光电转化效率高达37%,性能优于目前最好的硅基太阳能电池。

  

  制造“阳光捕获器”所用的钨丝在显微镜下的结构图

  太阳热能可直接转化为电

  为了用太阳光发电,人们可以使用光伏电池直接将太阳光转化为电,或者使用太阳光的热量将水加热,接着让产生的水蒸气驱动涡轮来发电。目前,这两个领域都有一些比较成熟的相关技术。但是,或许从理论上来说,我们还有第三条路可走,那就是直接用热来发电,而不需要蒸汽或者涡轮。在这种情况下,几乎所有的入射能量都能被转化为电,然而,标准的太阳能电池因为对某些频率的太阳光非常敏感,而对其他频率的太阳光不敏感,所以只能将部分太阳能转化为电。而且,与加热水再发电方法不同的是,第三种方法并不需要麻烦的力学过程。这样的一套系统一旦建立好,不需要太多的人力和管理就可以很好地运行。

  美中不足的是,这种将阳光转化为热能再转化为电能的装置,在阳光直接照射下无法让水的温度比沸水更高。原因在于,当水的温度远高于开水的温度时,其吸收热量的速度和散热的速度一样快。这就有点令人抓狂了,因为这类直接转化需要达到700摄氏度才能变得很有效率,而不使用特殊且昂贵的聚光球面镜来聚集入射光根本无法做到这一点。

  但现在,美国麻省理工学院的科学家皮特·博莫尔和同事在《纳米研究快报》杂志上指出,他们研制出了一种阳光捕获器,能够不使用聚光球面镜来聚集入射的太阳光。

  新阳光捕获器由钨丝制成

  博莫尔提出的“阳光捕获器”是经过复杂方式处理过的一层纤薄的钨(它是一种耐热金属)。其面对太阳的表面满满覆盖着极其微小的凹洞;另一面则蚀刻成光子晶体结构且面朝特殊类型的由砷化铟镓制成的太阳能电池,光子晶体结构使得这一面能够有选择地散发出频率能够最大限度地被太阳能电池所接受的红外线辐射。而且,正反两面都能由制造计算机芯片的光刻法制造而成。

  正是这些直径仅为3/4微米、深为3微米、分开排列在一个4/5微米宽的网格中的凹洞发挥了捕获光线的作用。当设备对齐使得凹洞直指太阳时,大部分入射光会穿过这些凹洞进入底部,在此处被钨吸收。就像热力学定律指出的那样,这些光线旋即会释放出来并辐射出去。然而,来自于一个凹洞内部的热辐射在逃入外面的世界时,很可能会遇到凹洞的壁。如此一来,整个吸收和再辐射过程又再次发生,结果会使凹洞的钨变得非常热。

  为了将热变成电,光子晶体会将热导向太阳能电池内。光子晶体是一个蚀刻在钨丝表面的规则的几何图案,只要对这些图案进行很好地调谐,它可以强化特定频率的红外线,并抑制某些频率的红外线,尽量释放出能最有效地被砷化铟镓太阳能电池所捕获的红外线,以增强其吸收效率。

  根据博莫尔的计算,新系统的光电转化效率能高达37%。而现在不使用镜子聚集入射光的标准硅基太阳能电池的最大转化效率仅为28%,使用镜子的标准硅基太阳能电池的最大转化效率为31%,因此,最新研究在光电转化效率上有了明显提升。当然,下一步是尽量让其变成现实,博莫尔对计算结果的准确性非常有信心。

  人们一般用钨丝来制造白炽灯的灯丝。但是,钨丝的这种作用正在变得“过气”,因为它们会将很多通过它们的电能转化为热而非光。具有讽刺意义的是,正是这一缺点不仅让钨丝获得新生,而且也有助于解决能源短缺问题。

[中国城市低碳经济网编辑:郝伟静]

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