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日本東北大學(xué)開發(fā)出效率達(dá)5.1%的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)

來源:玻璃工業(yè)網(wǎng) 2016/10/31 10:39:38

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中玻網(wǎng)】日本東北大學(xué)2016年10月25日宣布,開發(fā)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電(Solar-TPV:Solar-thermophotovoltaic)系統(tǒng)的發(fā)電效率達(dá)到5.1%,達(dá)到世界較高水平。這種發(fā)電系統(tǒng)的原理是,將包含廣泛波長(zhǎng)的光的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成波長(zhǎng)較適合太陽(yáng)能電池的熱輻射并進(jìn)行發(fā)電。有望實(shí)現(xiàn)與多結(jié)太陽(yáng)能電池概念不同的效率高率光伏發(fā)電。
  
  太陽(yáng)發(fā)出的光(熱輻射)具有廣泛的波長(zhǎng)分布(光譜)。單結(jié)太陽(yáng)能電池只能使波長(zhǎng)比使用的半導(dǎo)體材料帶隙更小的光轉(zhuǎn)化成電能,其他波長(zhǎng)的光則無(wú)法轉(zhuǎn)化成電能,而成為損耗。由多塊太陽(yáng)能電池重疊而成的多結(jié)太陽(yáng)能電池通過擴(kuò)大可吸收的波長(zhǎng)區(qū)域,可以不浪費(fèi)地將太陽(yáng)能光譜轉(zhuǎn)化為電能。但與單結(jié)太陽(yáng)能電池相比存在生產(chǎn)成本高的課題。
  
  Solar-TPV在通過聚集太陽(yáng)光,對(duì)太陽(yáng)光選擇材料及波長(zhǎng)選擇發(fā)射器進(jìn)行加熱,之后,光電轉(zhuǎn)換單元會(huì)利用波長(zhǎng)選擇發(fā)射器發(fā)出的與靈敏度波長(zhǎng)區(qū)域相匹配的熱輻射進(jìn)行發(fā)電。太陽(yáng)光的特點(diǎn)是可以先轉(zhuǎn)化成熱,然后在包含的光子能量總和不變的情況下,轉(zhuǎn)換成其他波長(zhǎng)的光線(熱輻射)。這樣,即使使用價(jià)格低廉的單結(jié)太陽(yáng)能電池,也能實(shí)現(xiàn)效率高發(fā)電。
  
  在本次研究中,東北大學(xué)提出了以“熱輻射光譜控制”和“熱輻射單向運(yùn)輸”的概念為基礎(chǔ)來提高熱輻射轉(zhuǎn)化及運(yùn)輸效率的新方案,并根據(jù)這一概念進(jìn)行了Solar-TPV系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。Solar-TPV系統(tǒng)將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成熱輻射,是光子相互轉(zhuǎn)化的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),不同于將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成熱的傳統(tǒng)聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電。
  
  因此,提效率高率的要點(diǎn)是,將吸收的太陽(yáng)能無(wú)損失地運(yùn)送到波長(zhǎng)選擇發(fā)射器,使波長(zhǎng)選擇發(fā)射器發(fā)出的熱輻射光譜與光電轉(zhuǎn)換單元的靈敏度波長(zhǎng)區(qū)域匹配。也就是說,要求具有較高的“熱輻射轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸效率”以及“光電轉(zhuǎn)換效率”。
  
  這兩種效率能夠通過太陽(yáng)光選擇吸收材料與波長(zhǎng)選擇發(fā)射器的光學(xué)設(shè)計(jì)和幾何學(xué)設(shè)計(jì)來提高。對(duì)太陽(yáng)光選擇吸收材料的要求是,在太陽(yáng)光光譜強(qiáng)度大的短波長(zhǎng)區(qū)域具有高吸收率,在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域具有低放射率(吸收率)。對(duì)波長(zhǎng)選擇發(fā)射器的要求是,在光電轉(zhuǎn)換單元的靈敏度波長(zhǎng)區(qū)域具有高放射率,在其他波長(zhǎng)區(qū)域具有低放射率。
  
  此次,研究人員設(shè)計(jì)出了可實(shí)現(xiàn)更高的熱輻射轉(zhuǎn)化效率及運(yùn)輸效率的面積比,舒緩太陽(yáng)光選擇吸收材料的反射和放射損失,成功設(shè)計(jì)并制作出了熱輻射運(yùn)輸效率有望達(dá)到54%、光電轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到28%的太陽(yáng)光選擇吸收材料及波長(zhǎng)選擇發(fā)射器。在使用試制的太陽(yáng)光選擇吸收材料、波長(zhǎng)選擇發(fā)射器、鎵銻光電轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行的發(fā)電試驗(yàn)中,發(fā)電效率達(dá)到了5.1%。

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