新方法聚集太陽熱量
來源：麻省理工 | 0評論 | 9426查看 | 2012-05-31 13:08:00
太陽紅外輻射通過表面上的微孔進入芯片，但是，反射光線在逃逸時，會被擋住，因為有精確設計的幾何結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使光線只有非常小的逃避角度。
大多數(shù)技術利用太陽能量是采集陽光本身，然后再轉(zhuǎn)換為電力，這要使用光伏材料。其他方法利用太陽熱能，通常是采用鏡子集中太陽光，產(chǎn)生足夠的熱量，煮沸水，轉(zhuǎn)動發(fā)電渦輪機。第三是不太常見的方法，它利用太陽熱量也要用鏡子聚光，但它是直接發(fā)電，采用的固態(tài)器件稱為熱光伏電池（thermophotovoltaics），它在麻省理工學院（MIT）的起源，可以追溯到20世紀50年代。
在材料中創(chuàng)造一種光子晶體結(jié)構(gòu)，這樣，它發(fā)射光線時，就會優(yōu)先朝著一個方向，而且是在一定的波長范圍，這就可以最好地優(yōu)化光電轉(zhuǎn)換。
現(xiàn)在，麻省理工學院的研究人員已經(jīng)找到一種方法，在使用熱光電設備時，不需要用鏡子聚集陽光，這就使這種系統(tǒng)更簡單也更便宜。關鍵是要防止熱量逸出熱電材料，這些事情麻省理工學院的研究小組做到了，因為他們使用了一種光子晶體：實質(zhì)上就是一種間距精確的微觀孔洞陣列，就在這種材料的頂層。
這種方法模擬地球的溫室效應：來自太陽的紅外輻射可以通過表面的孔進入芯片，但是，反射光線在逃逸時，就會被擋住。能夠擋住是因為有精確設計的幾何結(jié)構(gòu)，只允許光線以非常小的角度逃避，而其余的光會留在材料內(nèi)，進行加熱。
這種新設備已經(jīng)被介紹，論文作者是電子研究實驗室（Research Laboratory of Electronics）的研究科學家彼得?博梅爾（Peter Bermel）和麻省理工學院其他研究人員，發(fā)表在10月份的《納米研究快報》（Nanoscale Research Letters）雜志上。
博梅爾解釋說，如果你把一塊普通的深色吸光吸熱材料放在陽光下直射，“它不會比沸水更熱，”因為這種東西會再輻射熱量，幾乎和吸收一樣快。但是，要高效率發(fā)電，就需要比這溫度高得多。聚集陽光時，采用拋物面反射鏡或大型平面鏡陣列，可能達到高得多的溫度，但是，代價是更大更復雜的系統(tǒng)。
“我正在尋求的，是要替代這種模式，”博梅爾說，這就要“集中太陽光的熱量”：捕捉到之后再反射回材料內(nèi)。結(jié)果，他說，這種設備可以吸收同樣多的熱量，就像標準的黑色物體一樣，但是，“在實踐中，我們可以使它極為炙熱，而且不會再輻射很多熱量?！?/div>
這樣一種系統(tǒng)，他說，“規(guī)模大時會很有效，足以競爭過更多傳統(tǒng)的電力形式。這可以取代聚光器。”
此外，這種系統(tǒng)制備簡單，使用的是標準的芯片制造技術。相比之下，他說，傳統(tǒng)聚光系統(tǒng)所用的鏡子，需要“非常優(yōu)異的光學性質(zhì)，這是很昂貴的?！?/div>
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博梅爾說，下一步研究是測試不同材料，在這種配置中找到那些發(fā)電最有效的材料。采用現(xiàn)有的太陽能熱光電系統(tǒng)，他說，“把太陽能轉(zhuǎn)換成電力的最高效率是10％，但采用這種角度選擇方法，也許可以達到35％至36％?！边@反過來又高于傳統(tǒng)太陽能光伏電池可能達到的理論最大值。
在太陽能電池業(yè)務中，博梅爾指出，“甚至1％左右的小差異都被認為很重要?！比欢?，在這一點上，他的研究一直“主要是理論性的，”所以，下一步要制作和測試更多的實際設備。到目前為止，他說，“我們有了一些初步結(jié)果”，可以驗證這一理論。
杰森?弗萊舍（Jason Fleischer）是普林斯頓大學（Princeton University）電氣工程副教授，他沒有參與這項工作，他說，熱光電系統(tǒng)要運作良好，“陽光通常需要集中，而它又會重新散發(fā)到太空，這就是一個問題?！彼f，博梅爾和他的合著者取得的進展，是利用現(xiàn)有吸光材料，在其中創(chuàng)造一種光子晶體結(jié)構(gòu)，“這樣，它發(fā)射光線時，就會優(yōu)先朝著一個方向，而且是在一定的波長范圍，這就可以最好地優(yōu)化光電轉(zhuǎn)換?！边@樣做，就可以“顯著提高效率，超過古典預測所依據(jù)的非聚光類型，使小裝置可以產(chǎn)生同樣多的電力，就像更大的傳統(tǒng)裝置一樣?！?/div>
弗萊舍說，這項研究具有“特別高”的水準。
論文的合作者有麻省理工學院的約翰?姚諾笸籮斯（John Joannopoulos），他是弗朗西斯?萊特?戴維斯物理學教授（Francis Wright Davis Professor of Physics）；還有物理學教授馬林?索爾加西斯（Marin Solja?i?），還有四名學生。資金來自國家科學基金會，能源部麻省理工學院S3TEC能源研究前沿中心（MIT S3TEC Energy Research Frontier Center），以及士兵納米技術研究所（Institute for Soldier Nanotechnologies）。
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