新方法聚集太阳热量
来源：麻省理工 | 0评论 | 5614查看 | 2012-05-31 13:08:00
太阳红外辐射通过表面上的微孔进入芯片，但是，反射光线在逃逸时，会被挡住，因为有精确设计的几何结构，这种结构使光线只有非常小的逃避角度。
大多数技术利用太阳能量是采集阳光本身，然后再转换为电力，这要使用光伏材料。其他方法利用太阳热能，通常是采用镜子集中太阳光，产生足够的热量，煮沸水，转动发电涡轮机。第三是不太常见的方法，它利用太阳热量也要用镜子聚光，但它是直接发电，采用的固态器件称为热光伏电池（thermophotovoltaics），它在麻省理工学院（MIT）的起源，可以追溯到20世纪50年代。
在材料中创造一种光子晶体结构，这样，它发射光线时，就会优先朝着一个方向，而且是在一定的波长范围，这就可以最好地优化光电转换。
现在，麻省理工学院的研究人员已经找到一种方法，在使用热光电设备时，不需要用镜子聚集阳光，这就使这种系统更简单也更便宜。关键是要防止热量逸出热电材料，这些事情麻省理工学院的研究小组做到了，因为他们使用了一种光子晶体：实质上就是一种间距精确的微观孔洞阵列，就在这种材料的顶层。
这种方法模拟地球的温室效应：来自太阳的红外辐射可以通过表面的孔进入芯片，但是，反射光线在逃逸时，就会被挡住。能够挡住是因为有精确设计的几何结构，只允许光线以非常小的角度逃避，而其余的光会留在材料内，进行加热。
这种新设备已经被介绍，论文作者是电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）的研究科学家彼得•博梅尔（Peter Bermel）和麻省理工学院其他研究人员，发表在10月份的《纳米研究快报》（Nanoscale Research Letters）杂志上。
博梅尔解释说，如果你把一块普通的深色吸光吸热材料放在阳光下直射，“它不会比沸水更热，”因为这种东西会再辐射热量，几乎和吸收一样快。但是，要高效率发电，就需要比这温度高得多。聚集阳光时，采用抛物面反射镜或大型平面镜阵列，可能达到高得多的温度，但是，代价是更大更复杂的系统。
“我正在寻求的，是要替代这种模式，”博梅尔说，这就要“集中太阳光的热量”：捕捉到之后再反射回材料内。结果，他说，这种设备可以吸收同样多的热量，就像标准的黑色物体一样，但是，“在实践中，我们可以使它极为炙热，而且不会再辐射很多热量。”
这样一种系统，他说，“规模大时会很有效，足以竞争过更多传统的电力形式。这可以取代聚光器。”
此外，这种系统制备简单，使用的是标准的芯片制造技术。相比之下，他说，传统聚光系统所用的镜子，需要“非常优异的光学性质，这是很昂贵的。”
博梅尔说，下一步研究是测试不同材料，在这种配置中找到那些发电最有效的材料。采用现有的太阳能热光电系统，他说，“把太阳能转换成电力的最高效率是10％，但采用这种角度选择方法，也许可以达到35％至36％。”这反过来又高于传统太阳能光伏电池可能达到的理论最大值。
在太阳能电池业务中，博梅尔指出，“甚至1％左右的小差异都被认为很重要。”然而，在这一点上，他的研究一直“主要是理论性的，”所以，下一步要制作和测试更多的实际设备。到目前为止，他说，“我们有了一些初步结果”，可以验证这一理论。
杰森•弗莱舍（Jason Fleischer）是普林斯顿大学（Princeton University）电气工程副教授，他没有参与这项工作，他说，热光电系统要运作良好，“阳光通常需要集中，而它又会重新散发到太空，这就是一个问题。”他说，博梅尔和他的合著者取得的进展，是利用现有吸光材料，在其中创造一种光子晶体结构，“这样，它发射光线时，就会优先朝着一个方向，而且是在一定的波长范围，这就可以最好地优化光电转换。”这样做，就可以“显著提高效率，超过古典预测所依据的非聚光类型，使小装置可以产生同样多的电力，就像更大的传统装置一样。”
弗莱舍说，这项研究具有“特别高”的水准。
论文的合作者有麻省理工学院的约翰•姚诺笸箩斯（John Joannopoulos），他是弗朗西斯•莱特•戴维斯物理学教授（Francis Wright Davis Professor of Physics）；还有物理学教授马林•索尔加西斯（Marin Soljačić），还有四名学生。资金来自国家科学基金会，能源部麻省理工学院S3TEC能源研究前沿中心（MIT S3TEC Energy Research Frontier Center），以及士兵纳米技术研究所（Institute for Soldier Nanotechnologies）。
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