MIT同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能發(fā)電和熱水供應(yīng)
時(shí)間：2011-05-16 05:22:34
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[導(dǎo)讀]由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）、開(kāi)發(fā)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的美國(guó)GMZEnergy公司、美國(guó)波士頓學(xué)院及阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)（UAE）馬斯達(dá)爾理工學(xué)院（MasdarInstituteofScienceandTechnology）的研究人員組成的研究小組，開(kāi)發(fā)出了采用熱
由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）、開(kāi)發(fā)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的美國(guó)GMZEnergy公司、美國(guó)波士頓學(xué)院及阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)（UAE）馬斯達(dá)爾理工學(xué)院（MasdarInstituteofScienceandTechnology）的研究人員組成的研究小組，開(kāi)發(fā)出了采用熱電轉(zhuǎn)換元件的平板型太陽(yáng)能發(fā)電兼熱水供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠“熱電聯(lián)產(chǎn)”，不僅能發(fā)電還能同時(shí)供應(yīng)熱水，發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率為5％左右，同時(shí)還能提供50℃左右的熱水。
有關(guān)技術(shù)詳情已在學(xué)術(shù)雜志《NatureMaterials》上發(fā)表論文。文章介紹說(shuō)，此次的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率比原來(lái)的同類系統(tǒng)提高了7～8倍。今后轉(zhuǎn)換效率還可能達(dá)到10％以上。另外，由于制造成本有望比基于光電轉(zhuǎn)換（PV）的太陽(yáng)能電池大幅降低，而且能夠供應(yīng)熱水，折舊年限存在比太陽(yáng)能電池大幅縮短的可能性，將來(lái)可能會(huì)成為太陽(yáng)能電池的強(qiáng)勁對(duì)手。波士頓學(xué)院教授任志鋒在接受《日經(jīng)電子》采訪時(shí)表示：“相對(duì)于發(fā)電功率的制造成本大約在0.5美元/W。由于還能供應(yīng)熱水，因此完全可以與太陽(yáng)能電池展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)”。
通過(guò)集熱式將集熱效率提高200～300倍
以前也有過(guò)利用熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電的嘗試。但是，很難產(chǎn)生對(duì)熱電轉(zhuǎn)換至關(guān)重要的大溫差，并且轉(zhuǎn)換效率非常低，只有0.63％。
此次，研究小組通過(guò)三大改善措施實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率。分別為：（1）開(kāi)發(fā)出利用高效吸收陽(yáng)光的平板匯聚200～300倍太陽(yáng)熱量的系統(tǒng)，從而確保了溫差；（2）用玻璃真空容器包裹發(fā)電面板，大幅降低了熱損失；（3）采用MIT等最近開(kāi)發(fā)的ZT指數(shù)高達(dá)1.03的BiTe類熱電轉(zhuǎn)換元件（參閱本站報(bào)道）。
實(shí)際的面板是用面積約714mm2或約1090mm2的兩塊銅（Cu）板夾住尺寸為1.35mm×1.35mm×1.65mm的n型和p型兩種熱電轉(zhuǎn)換材料，然后用玻璃真空容器密封而成。兩塊Cu板中，接受陽(yáng)光照射的表面Cu板上貼有高效吸收陽(yáng)光的材料，背面Cu板上貼有起散熱作用的陶瓷板。另外，背面Cu板通過(guò)水冷式冷卻使溫度保持在20～60℃。面板的面積是熱電轉(zhuǎn)換元件自身面積的196倍或299倍。這種系統(tǒng)與集光式太陽(yáng)能電池的主要差異在于：不需要大型聚光鏡等，能夠制成超薄的平板狀，不需要追隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
照射相當(dāng)于普通陽(yáng)光的光譜為AirMass（AM）1.5左右、能量密度為1kW/m2或1.5kW/m2的光線時(shí)，表面Cu板的溫度達(dá)到160～250℃，最大可發(fā)電約60mW。據(jù)論文介紹，冷卻端面板的溫度維持在20℃時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為4.6～5.2％。
轉(zhuǎn)換效率對(duì)冷卻端面板的溫度依賴性較小，“即使冷卻端面板的溫度達(dá)到50℃，轉(zhuǎn)換效率也保持在3.5～4％。這樣，冷卻系統(tǒng)直接就是‘熱電聯(lián)產(chǎn)’的太陽(yáng)能熱水器”（論文）。
轉(zhuǎn)換效率還可能達(dá)到14％
該技術(shù)的特點(diǎn)是理論值與實(shí)測(cè)值差距很小。在論文中，理論轉(zhuǎn)換效率與實(shí)際測(cè)量值基本一致。理論轉(zhuǎn)換效率大部分取決于熱電轉(zhuǎn)換材料的性能?！叭绻軌?qū)崿F(xiàn)ZT＝2的熱電轉(zhuǎn)換元件，那么發(fā)電面板的轉(zhuǎn)換效率就能夠達(dá)到14％”（論文）。
另一方面，制造成本比現(xiàn)有太陽(yáng)能電池降低。因?yàn)橥ㄟ^(guò)采用集熱式，可以采用小號(hào)熱電轉(zhuǎn)換元件，并且無(wú)需追隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。論文提到“（此次采用的）BiTe類材料的采購(gòu)成本只有0.17美元/W”。關(guān)于采用真空容器這一點(diǎn)，論文還介紹說(shuō)“在中國(guó)，采用真空管的太陽(yáng)能熱水器已經(jīng)導(dǎo)入73GW以上。這些產(chǎn)品的耐用年限為15年”。此外，此次系統(tǒng)的真空度比原有太陽(yáng)能熱水器差兩個(gè)等級(jí)也沒(méi)關(guān)系。
有關(guān)技術(shù)詳情已在學(xué)術(shù)雜志《NatureMaterials》上發(fā)表論文。文章介紹說(shuō)，此次的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率比原來(lái)的同類系統(tǒng)提高了7～8倍。今后轉(zhuǎn)換效率還可能達(dá)到10％以上。另外，由于制造成本有望比基于光電轉(zhuǎn)換（PV）的太陽(yáng)能電池大幅降低，而且能夠供應(yīng)熱水，折舊年限存在比太陽(yáng)能電池大幅縮短的可能性，將來(lái)可能會(huì)成為太陽(yáng)能電池的強(qiáng)勁對(duì)手。波士頓學(xué)院教授任志鋒在接受《日經(jīng)電子》采訪時(shí)表示：“相對(duì)于發(fā)電功率的制造成本大約在0.5美元/W。由于還能供應(yīng)熱水，因此完全可以與太陽(yáng)能電池展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)”。
通過(guò)集熱式將集熱效率提高200～300倍
以前也有過(guò)利用熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電的嘗試。但是，很難產(chǎn)生對(duì)熱電轉(zhuǎn)換至關(guān)重要的大溫差，并且轉(zhuǎn)換效率非常低，只有0.63％。
此次，研究小組通過(guò)三大改善措施實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率。分別為：（1）開(kāi)發(fā)出利用高效吸收陽(yáng)光的平板匯聚200～300倍太陽(yáng)熱量的系統(tǒng)，從而確保了溫差；（2）用玻璃真空容器包裹發(fā)電面板，大幅降低了熱損失；（3）采用MIT等最近開(kāi)發(fā)的ZT指數(shù)高達(dá)1.03的BiTe類熱電轉(zhuǎn)換元件（參閱本站報(bào)道）。
實(shí)際的面板是用面積約714mm2或約1090mm2的兩塊銅（Cu）板夾住尺寸為1.35mm×1.35mm×1.65mm的n型和p型兩種熱電轉(zhuǎn)換材料，然后用玻璃真空容器密封而成。兩塊Cu板中，接受陽(yáng)光照射的表面Cu板上貼有高效吸收陽(yáng)光的材料，背面Cu板上貼有起散熱作用的陶瓷板。另外，背面Cu板通過(guò)水冷式冷卻使溫度保持在20～60℃。面板的面積是熱電轉(zhuǎn)換元件自身面積的196倍或299倍。這種系統(tǒng)與集光式太陽(yáng)能電池的主要差異在于：不需要大型聚光鏡等，能夠制成超薄的平板狀，不需要追隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
照射相當(dāng)于普通陽(yáng)光的光譜為AirMass（AM）1.5左右、能量密度為1kW/m2或1.5kW/m2的光線時(shí)，表面Cu板的溫度達(dá)到160～250℃，最大可發(fā)電約60mW。據(jù)論文介紹，冷卻端面板的溫度維持在20℃時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為4.6～5.2％。
轉(zhuǎn)換效率對(duì)冷卻端面板的溫度依賴性較小，“即使冷卻端面板的溫度達(dá)到50℃，轉(zhuǎn)換效率也保持在3.5～4％。這樣，冷卻系統(tǒng)直接就是‘熱電聯(lián)產(chǎn)’的太陽(yáng)能熱水器”（論文）。
轉(zhuǎn)換效率還可能達(dá)到14％
該技術(shù)的特點(diǎn)是理論值與實(shí)測(cè)值差距很小。在論文中，理論轉(zhuǎn)換效率與實(shí)際測(cè)量值基本一致。理論轉(zhuǎn)換效率大部分取決于熱電轉(zhuǎn)換材料的性能?！叭绻軌?qū)崿F(xiàn)ZT＝2的熱電轉(zhuǎn)換元件，那么發(fā)電面板的轉(zhuǎn)換效率就能夠達(dá)到14％”（論文）。
另一方面，制造成本比現(xiàn)有太陽(yáng)能電池降低。因?yàn)橥ㄟ^(guò)采用集熱式，可以采用小號(hào)熱電轉(zhuǎn)換元件，并且無(wú)需追隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。論文提到“（此次采用的）BiTe類材料的采購(gòu)成本只有0.17美元/W”。關(guān)于采用真空容器這一點(diǎn)，論文還介紹說(shuō)“在中國(guó)，采用真空管的太陽(yáng)能熱水器已經(jīng)導(dǎo)入73GW以上。這些產(chǎn)品的耐用年限為15年”。此外，此次系統(tǒng)的真空度比原有太陽(yáng)能熱水器差兩個(gè)等級(jí)也沒(méi)關(guān)系。
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