太阳能 利用太阳能发电的第三种方法 一种新的利用太阳能发电的方法刚刚得到测试 May 12th 2011 | from The Economist print edition 目前,利用阳光发电的可靠方法有两种。你可以使用一块太阳能电池板从硅等半导体材料中释放电子来直接制造电流,。也可以用镜子集中太阳光线,利用它们烧开水,利用蒸汽驱动发电机。 这两种方式都能进行也都很昂贵。为此,麻省理工学院的陈刚和波士顿大学的任志峰在《自然-材料》杂志上刊登的一篇论文中提出了另一种方式。他们提出可以利用一种名为热电效应的现象——而且还建立了一个模型来证明这个想法的可行性。 热电器件并不是什么新鲜事。比如它们被用来捕捉从汽车引擎排出的废气。它们之所以能起作用是因为一般的材料,比如碲化铋,如果其中一部分比另一部分热,内部就会产生电位差。通过外部电路就可以利用这一点来导通电流。 为什么在过去热电材料没能成功地应用到太阳能上呢,这是因为如果要获得有价值的电流必须有巨大的温度差。(200摄氏度被视为合适的起点。)汽车引擎里很容易达到这个温度差。但是对于阳光来说,这意味着通过某种方式集中热量,而如果你费尽力气用一堆镜子达到这个温度差,你很可能走回蒸汽发动的老套路上了,那是一种效率更高的发电方式。倘若能集中热量而不需要使用镜子的复杂步骤,虽然热电效率不高,但设备的廉价却可以弥补这点。而陈博士和任博士希望他们可以朝这个方向努力。 他们认为创造一种可行的太阳能热电设备需要具备三个条件。第一是确保大多数射入该设备的阳光被吸收而不是被反射回去了。第二是选择的热电材料的导热性差(这样不同部分就能保持不同的温度)但是导电性良好。第三是确保那种导热性差的材料产生的温度变化率不因为设计缺陷而白白浪费。 两位研究者经由巧妙的工程技术客服了上述挑战。他们在设备顶上盖上了大概100纳米厚的二氧化铪、氧化钼和氧化钛的混合物。它们的作用类似玻璃眼镜上面防反射的覆盖层,使所有落到设备上的阳光都被吸收。这样第一个问题就解决了。 低导热性和高导电性则通过把碲化铋分成几纳米的粒状物来实现。它们的导电性不会因此受到影响,但是人们知道像这样的纳米级颗粒会分散开来并通过人们还尚未完全理解的量子力学过程阻碍热量通道。 第三个目标是高效的设计,它涉及到把纳米级的碲化铋夹在两片铜薄片之间然后把位于上方的薄片(这个薄片被覆盖上了吸收光线的氧化物)和碲化铋封入一个容器内。铜片可以把热量迅速地传递到碲化铋上或从碲化铋上导出,这样就能保持气温差。容器防止该设备通过对流失去热量。 结果就是这样一个可以把射入阳光的4.6%转化为电能的设备。以硅晶为基础的太阳能电池的转化率为20%甚至以上,太阳能热力涡轮的为40%,就连一种新一代廉价而质量低劣的薄膜太阳能电池的转化率也能达到18%-20%,与它们相比,4.6%并不客观。但是陈博士认为这已经足够了,值得考虑对该设备进行大规模生产。 他特别指出该设备可以安装到越来越多的房屋顶上装有的太阳能热水器上去。如果这样的热水器配上热电发动机,那么太阳光就可以被连续使用。首相,从它们身上可以获取电能。其次,从热电设备中位于底部的薄片中出来的排气可以用于传统方式来加热水。对消费者来说,二合一总是很有吸引力的建议。这种结合热力和电力的方式可以让更多人摆脱输电网。 from the print edition | Science and Technology
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