能在夜间发电的太阳能电池

2022年4月12日

        通过利用太阳能电池板和环境空气之间的温差，工程师们制造出了能在夜间发电的太阳能电池。

        与太阳能电池在阳光灿烂时每平方米100至200瓦的功率相比，夜间的发电量仅为区区50毫瓦/平方米。“但对于LED灯、手机或小型传感器等低功率密度应用而言，它在经济上已经很有吸引力了，”斯坦福大学电气工程教授范山辉（Shanhui Fan）说。他与其他共同作者在《应用物理快报》上发表了这一研究成果。

        范山辉和他的同事们利用了辐射冷却的概念。辐射冷却指的是材料在吸收了一整天的太阳能量后在夜间将热量辐射到天空的现象，而其他人之前已经利用这种现象来制造冷却涂料和节能空调。由于这种效应，夜间指向天空的标准太阳能电池的温度低于环境空气温度。这会产生从环境空气到太阳能电池的热流。“可以收集热流来发电，”范说。

        为此，研究人员将光伏电池与商用热电发电机（TEG）模块集成在一起，将温差转换为电能。TEG位于太阳能电池下方，两者之间的铝片将热量从太阳能电池传导至TEG。TEG的另一侧通过散热器连接到环境空气。

        范山辉说，虽然现有的太阳能电池板可以与TEG改装在一起来进行夜间发电，但要使这些设备很好地协同起来，关键是太阳能电池和TEG之间的热接触必须非常紧密，这是改装解决方案所面临的挑战。

        他们的团队于2021年10月在加利福尼亚州斯坦福的一个屋顶上对一个TEG集成太阳能电池原型进行了为期三天的测试。结果显示夜间发电量为50毫瓦/每平方米。该团队估计，在更热、更干燥的气候中，同样的配置可以产生高达100毫瓦/每平方米的功率。

        范教授说，电池原型还有很大的改进空间，因为他们所使用的传统太阳能电池不是为辐射冷却而设计的。它发射的是波长在10微米左右的中红外范围内的热波。通过调整发射波长，太阳能电池温度将会更低，从而使温差更大，最终增大TEG的功率。

        “原则上，可以设计太阳能电池的热发射特性，以优化其辐射冷却性能而不影响太阳能发电性能，”范教授说。“我们的理论计算表明，电池功率有可能达到几百毫瓦甚至到1瓦。”

        这一斯坦福团队计划设计新的太阳能电池来改善夜间发电性能，并计划扩大原型。成本是扩大原型这一想法的一个障碍，因为TEG常常由昂贵的材料制成。该团队尚未进行详细的成本分析，但范说，对于同类事物的比较，必须将具备夜间配置的24小时太阳能电池进行比较。这样的夜间配置能在白天生产太阳能，在夜间利用电池来储存能量。

        鉴于TEG模块的使用寿命比电池的典型五年寿命要长得多，范教授说：“我们的初步计算表明，在某些应用场景中，热电有可能超越电池方法。”

        （编译：国核自仪 陈潇莉，转载请注明出处）