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用光伏电力

不需要阳光

南希·w·Stauffer · 2012年7月7日 · 想要

一种新型麻省理工学院技术现已成为可能的高效光伏(PV)系统,其可以由太阳,烃燃料,衰减放射性同位素或任何其他热源供电。高效操作的关键:由于其表面 - 选择性地辐射到电池可以转化为电力的波长的纳米级凹坑,这是一种特别的工程化材料。

Based on that technology, the MIT researchers have fabricated a button-sized power generator that’s fueled by butane, can run three times longer than a lithium-ion battery of the same weight, and can be recharged instantly by snapping in a tiny cartridge of fresh fuel. Another device, powered by a radioisotope, should generate electricity for 30 years without refueling or servicing—an ideal source of electricity for spacecraft that head out of our solar system.

根据美国能源信息管理局的数据,我们使用的所有能源中有92%涉及到将热能转化为机械能,然后通常转化为电能。但是今天的机械系统也有缺点:可靠性差(运动部件可能会损坏);效率相对较低;而且,它们无法成功缩小到与当今众多耗电设备相匹配的小尺寸,从传感器到智能手机,再到医疗监视器。

“能够在不移动部件的情况下将各种来源的热量转化为电能将带来巨大的好处,”他说伊凡CelanovicScD ' 06,士兵纳米技术研究所(ISN)的研究工程师,“尤其是如果我们能有效地、相对便宜地、小规模地——几毫米、几厘米或几米——做到这一点。”

光伏电池是固态的发电机,它们并不总是依靠阳光发电。半个世纪前,研究人员开发了热光电(TPV),一种将光伏二极管(太阳能电池的活跃部分)与任何热源耦合的方法。例如,在TPV系统中,燃烧的碳氢化合物会加热称为热发射器的固体材料;所述热发射器将热量和光辐射至所述PV二极管;PV二极管发电。因为热辐射体不像太阳那么热,它的辐射包含比太阳光谱中更多的红外波长。十年前发明的“低带隙”光伏材料可以吸收比标准硅光伏更多的红外辐射;但是大部分热量仍然被浪费,因此效率仍然相对较低。

一个理想的匹配

Celanovic的解决方案是设计一种热发射器,其仅辐射PV二极管可以吸收和转换为电力的波长 - 并抑制所有其他波长的发射。“如果您的热源和光伏二极管之间具有完美的光谱匹配,您将为整个系统获得最佳效率,”他说。

“但是我们如何找到一种具有这种神奇特性的材料,它只发射我们想要的波长?””问Marinsoljačić.,物理系副教授,is研究员。答案是:制造光子晶体。取一个材料样本,在其表面创造一些纳米级的特征——比如,一个有规律重复的孔或脊图案。光现在通过样品传播的方式与材料在其自然形态时截然不同。

使用新的纳米制造技术,MIT研究人员用数十亿规则间隔,纳米级孔在其表面上制作了这些钨样品。在其TVP系统中,这种类型的光子晶体用作热发射器,吸收热量,然后是由于其表面结构 - 辐射到PV二极管的那些波长,二极管可以转换成电力。插图显示了由白光照明的全1厘米直径样本的数码照片。由于表面图案,颜色表明白光的衍射成为绿色。

“通过选择我们如何设计纳米结构,我们可以创造出具有新的光学特性的材料,”Soljačić说。“这让我们有能力控制和操纵光的行为。”

这种强大的方法是由Francis Wright Davis物理学教授和is主管John D. Joannopoulos和其他人共同开发的,已经被广泛用于改进激光,发光二极管,甚至光纤。但对于麻省理工学院的研究小组来说,这种新型材料正是他们所需要的,可以让他们的PV二极管使用热辐射光谱。

光子晶体设计

首先,他们需要一种材料,这种材料可以被加热到极高的温度,然后发出强烈的强光。钨是显而易见的选择,它作为白炽灯的灯丝已经有100年的历史了。为了将一块钨片制成光子晶体,他们在钨片表面制造了一组微小的凹坑,即圆柱形的空腔。当平板加热时,它会发出明亮的光,但发射光谱会发生变化。

为什么?每个凹坑就像一个谐振器,只能在特定的波长释放辐射热。因此,它提供了波长选择性。塞拉诺维奇提供了一个类似的声学共振器。“这有点像你把一个贝壳放在耳边,然后听到嗡嗡的声音。你听到的噪音被海螺腔的共振频率放大。原理相同,物理原理相同,但不是声共振,而是电磁共振,”他说。

为了实现他们的“设计材料”,研究人员需要找到一种在钨中制造纳米结构的实用方法。经过大量的工作,他们开发了一种基于光刻和反应离子蚀刻的方法,这种处理技术用于在微处理器上制造小特征,例如。在这种情况下,两束重叠激光束的干涉产生了一个带有相同小孔的蚀刻掩模,然后通过反应离子蚀刻将这些小孔转移到钨基板上。利用这种方法,麻省理工学院的研究小组制作了直径为1厘米的钨光子晶体,其表面包含数十亿个小孔,这些小孔彼此间隔相等,直径和深度几乎一致。

该图说明了如何操纵钨光子晶体的纳米结构可以影响其发射的光的光谱。(辐射是辐射效率的指标。)在该实施例中,三种彩色光谱来自加热的钨样品,该样品含有不同直径,深度和间距的纳米级孔。那些不同的几何形状显着地改变了发射光中的主波长。黑色绘制的光谱来自钨样品,具有光滑的表面。

上图的图表演示了表面几何形状的操纵如何改变光子晶体的光谱射精。曲线在各种波长下显示出热膨胀率。黑色绘制的光谱来自加热的钨样品,具有光滑的表面。三种彩色光谱来自钨样品,其包含不同直径,深度和间距的孔。结果,它们的发射光谱明显不同。因此,通过改变给定材料的光子晶体的几何参数,您可以调整它辐射的截止,并且它不会辐射,“Celanovic说。

在这种新颖的MIT设计中,来自能量源的输入热量提高了钨光子晶体的温度,而钨光子晶体将选定波长的辐射热传输到PV二极管。另一个光子晶体安装在PV二极管的表面上,使二极管能将波长不同的热量转化为电能,并将剩余的热量反射回钨光子晶体,在钨光子晶体中被重新吸收并释放出来。来自PV二极管的电流通过电子电路调整其电压以匹配被供电的外部设备。

上图显示了他们光子晶体激活TPV系统的基本设置。来自左边热源的热量提高了钨光子晶体(热辐射器)的温度,它将选定波长的热量辐射给PV二极管,然后二极管将其转换为电能。尽管经过精心裁剪,钨发射器在PV二极管无法转化为电能的波长处仍能传递一些热量。为了防止这种浪费,研究人员在二极管的表面安装了另一个光子晶体,这个光子晶体由一系列交替的硅和二氧化硅层组成,这种纳米结构可以通过调整来传输特定的波长,并反射其他波长。在这里,它将任何不可接受的波长的辐射反射回钨发射器,在那里它被重新吸收,然后再释放,在PV二极管可以使用的波长提供更多的热量。

正在部署他们的新型冠捷系统

使用此TPV系统,麻省理工学院团队正在使用麻省理工学院和其他地方的合作者来创建几种新型电力发电设备。一个例子是微TPV发电机,一种按钮尺寸固态装置,其用作其热源烃燃料,例如丁烷或丙烷。该器件的核心是由Klavs Jensen,Warren K.刘易斯化学工程教授,在MicroSystems技术实验室中制造的“微抗体”。该微小的反应器是硅芯片,内部通道,注入燃料经历催化反应,产生热量。光子晶体沉积在微反应器的顶表面和底表面上,并且低带间隙PV二极管放置在通过微小间隙中分离的反应器上方和下方。TPV系统通过微反应器加热,产生电力,该电路通过罗伯希瓦,研究生和电气工程和计算机科学副教授的罗伯特利瓦省,研究生和大卫官教授专门设计的电子电路。电路Dynami-Cly调整电压和电流,以适应智能手机,传感器或其他设备,同时从TPV系统提取最大电量。

每一个硅芯片都是一个微反应堆,其两面都有光子晶体和外部管,用于注入燃料和空气以及排出废物。在一个内部通道内,燃料和空气发生反应,加热光子晶体。在一个完整的系统中,热量会传递到发电的光伏二极管上,而光伏二极管将安装在每面上方和下方,由一个微小的缝隙隔开。照片:贾斯汀骑士

塞拉诺维奇说,他们的微型tpv发电机的原型“非常令人兴奋”。这种设备能实现大约3%的燃料-电力转换效率——这个比率听起来可能不太令人印象深刻,但在这个效率下,它们的能量输出是同等大小和重量的锂离子电池的三倍。因此,冠捷光伏发电机组可以在不充电的情况下运行三倍的时间,而且充电是瞬间完成的:只需插入新的丁烷。随着包装和系统设计的进一步研究,Celanovic相信他们可以将目前的能量密度提高两倍。他说:“到那个时候,我们的冠捷光伏发电机可以为你的智能手机供电一周。”

其他的研究集中在使用放射性同位素——一种在过程中会产生放射性衰变并释放热量的物质。它们的能量密度可以比化学燃料高几个数量级,而且放射性同位素不一定是危险的。(事实上,有些被用于植入心脏起搏器长达10年。)以放射性同位素为燃料的TPV发电机可以运行30年或更长的时间,对于某些需要多年电力但很难或不可能进行充电的高级应用来说是理想的。例如,在一个项目中,麻省理工学院的团队正在与美国宇航局和Creare, Inc. (Hanover, NH)的合作者合作,开发一种基于放射性同位素的TPV发电机,用于深空探测——在这种情况下,甚至最好的可充电电池和太阳能电池板都不是一个选择。

最后,研究人员正在寻找利用光子晶体提高太阳能转化为电能的方法。例如,抛物面镜等光学聚光器可以将太阳辐射聚焦到光子晶体吸收和发射体上,这将重塑太阳光谱,以更好地匹配光伏电池的特性。合作者是固态太阳能热能转换中心的成员,该中心由卡尔理查德索德伯格电力工程教授陈刚领导。

Celanovic和Soljačić强调,构建实用的系统需要集成许多技术和专业领域。塞拉诺维奇说:“这确实是一项多学科的努力。”“这是一个很好的例子,说明了材料的基础研究如何产生新的性能,从而实现高效能量转换的整个范围的应用。”


这项研究部分得到了麻省理工学院能源计划的种子基金的支持。58必威苹果微型冠捷pv系统的研究由美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所提供部分支持。放射性同位素- tpv的工作部分由美国宇航局格伦研究中心在小企业技术转移计划下提供支持。固态太阳能热能转换中心由美国能源部支持。欲知更多资料,请浏览:

P. Bermel, M. Ghebrebrhan, W. Chan, Y. Yeng, M. Araghchini, R. Hamam, C. Marton, K. Jensen, M. Soljačić, J. Joannopoulos, S. Johnson,和I. Celanovic。高效光伏热系统的设计与全局优化。光学表达18,PP。A314-A334,2010。

塞拉诺维奇,约瓦诺维奇和卡萨基安。二维钨光子晶体作为选择性热发射器应用物理快报, 2008年第92、193101节。

M.Ghebreghan,Y. Yeng,P. Bermel,I. Celanovic,M.Soljačić和J.Joannopoulos。“通过耦合模式理论”剪裁来自金属光子晶体板的热辐射“。物理评论一个,v。83,033810,2011。

R. Pilawa-Podgurski, N. Pallo, W. Chan, D. Perreault和I. Celanovic。低功率最大功率点跟踪器,带数字控制的热光伏发电机。第二十五届IEEE应用电力电子会议论文集《APEC 2010》,第961-967页,2010年2月。


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