新方法聚集太阳热量
来源:麻省理工 | 0评论 | 2074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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