斯坦福學(xué)者讓太陽能電池在夜間發(fā)電 可為LED燈或手機(jī)充電

研究者表示，他們?cè)O(shè)計(jì)的光伏電池裝置可以為 LED 燈或者手機(jī)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(dá)到 50 毫瓦 / 每平方米。

這項(xiàng)研究近日發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》上，論文的標(biāo)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(duì)于 LED 燈、手機(jī)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)太陽能電池在夜間的溫度低于周圍空氣的溫度，這會(huì)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(dòng)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(jī)(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(gè)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(gè)挑戰(zhàn)。

PV-TEG 設(shè)備的設(shè)計(jì)原理圖和原型機(jī)。

2021 年 10 月，研究團(tuán)隊(duì)在斯坦福大學(xué)的一處屋頂上對(duì) TEG 集成的太陽能電池原型機(jī)進(jìn)行了為期三天的測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夜間發(fā)電達(dá)到了 50 毫瓦 / 每平方米。他們估計(jì)在更熱更干燥的氣候中，相同的裝置可以達(dá)到 100 毫瓦 / 每平方米。

多天的溫度和功率測(cè)量。

Fan 表示未來還有很大的改進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)算表明有可能達(dá)到數(shù)百毫瓦甚至 1 瓦?！?/p>

目前，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃設(shè)計(jì)新的太陽能電池來改進(jìn)夜間發(fā)電，并擴(kuò)展他們的原型機(jī)。成本可能是一大難題，這是因?yàn)?TEG 通常是由昂貴的材料制成。團(tuán)隊(duì)還沒有進(jìn)行詳細(xì)的成本分析，不過 Fan 認(rèn)為，他們必須將 24 小時(shí)太陽能電池與夜間裝置進(jìn)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(jì)算，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中熱電可能要?jiǎng)龠^電池方法。