鎢絲巧變陽光捕獲器 美開發(fā)出直接利用太陽光的熱能發(fā)電技術(shù)
目前，人們可以利用太陽能電池直接把陽光轉(zhuǎn)為電力；也可以利用陽光加熱水，再利用蒸氣驅(qū)動渦輪，這些都是已經(jīng)很成熟的技術(shù)。但近日，英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站在報道中指出，從理論上而言，我們還有第三種方法，也就是直接利用陽光的熱能來發(fā)電。而且，美國科學(xué)家使用鎢絲制造的設(shè)備就做到了這一點，其光電轉(zhuǎn)化效率高達37%，性能優(yōu)于目前最好的硅基太陽能電池。
太陽熱能可直接轉(zhuǎn)化為電
為了用太陽光發(fā)電，人們可以使用光伏電池直接將太陽光轉(zhuǎn)化為電，或者使用太陽光的熱量將水加熱，接著讓產(chǎn)生的水蒸氣驅(qū)動渦輪來發(fā)電。目前，這兩個領(lǐng)域都有一些比較成熟的相關(guān)技術(shù)。但是，或許從理論上來說，我們還有第三條路可走，那就是直接用熱來發(fā)電，而不需要蒸汽或者渦輪。在這種情況下，幾乎所有的入射能量都能被轉(zhuǎn)化為電，然而，標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池因為對某些頻率的太陽光非常敏感，而對其他頻率的太陽光不敏感，所以只能將部分太陽能轉(zhuǎn)化為電。而且，與加熱水再發(fā)電方法不同的是，第三種方法并不需要麻煩的力學(xué)過程。這樣的一套系統(tǒng)一旦建立好，不需要太多的人力和管理就可以很好地運行。
美中不足的是，這種將陽光轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在陽光直接照射下無法讓水的溫度比沸水更高。原因在于，當(dāng)水的溫度遠高于開水的溫度時，其吸收熱量的速度和散熱的速度一樣快。這就有點令人抓狂了，因為這類直接轉(zhuǎn)化需要達到700攝氏度才能變得很有效率，而不使用特殊且昂貴的聚光球面鏡來聚集入射光根本無法做到這一點。
但現(xiàn)在，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家皮特·博莫爾和同事在《納米研究快報》雜志上指出，他們研制出了一種陽光捕獲器，能夠不使用聚光球面鏡來聚集入射的太陽光。
新陽光捕獲器由鎢絲制成
博莫爾提出的“陽光捕獲器”是經(jīng)過復(fù)雜方式處理過的一層纖薄的鎢（它是一種耐熱金屬）。其面對太陽的表面滿滿覆蓋著極其微小的凹洞；另一面則蝕刻成光子晶體結(jié)構(gòu)且面朝特殊類型的由砷化銦鎵制成的太陽能電池，光子晶體結(jié)構(gòu)使得這一面能夠有選擇地散發(fā)出頻率能夠最大限度地被太陽能電池所接受的紅外線輻射。而且，正反兩面都能由制造計算機芯片的光刻法制造而成。
正是這些直徑僅為3/4微米、深為3微米、分開排列在一個4/5微米寬的網(wǎng)格中的凹洞發(fā)揮了捕獲光線的作用。當(dāng)設(shè)備對齊使得凹洞直指太陽時，大部分入射光會穿過這些凹洞進入底部，在此處被鎢吸收。就像熱力學(xué)定律指出的那樣，這些光線旋即會釋放出來并輻射出去。然而，來自于一個凹洞內(nèi)部的熱輻射在逃入外面的世界時，很可能會遇到凹洞的壁。如此一來，整個吸收和再輻射過程又再次發(fā)生，結(jié)果會使凹洞的鎢變得非常熱。
為了將熱變成電，光子晶體會將熱導(dǎo)向太陽能電池內(nèi)。光子晶體是一個蝕刻在鎢絲表面的規(guī)則的幾何圖案，只要對這些圖案進行很好地調(diào)諧，它可以強化特定頻率的紅外線，并抑制某些頻率的紅外線，盡量釋放出能最有效地被砷化銦鎵太陽能電池所捕獲的紅外線，以增強其吸收效率。
根據(jù)博莫爾的計算，新系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率能高達37%。而現(xiàn)在不使用鏡子聚集入射光的標(biāo)準(zhǔn)硅基太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率僅為28%，使用鏡子的標(biāo)準(zhǔn)硅基太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率為31%，因此，最新研究在光電轉(zhuǎn)化效率上有了明顯提升。當(dāng)然，下一步是盡量讓其變成現(xiàn)實，博莫爾對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性非常有信心。
人們一般用鎢絲來制造白熾燈的燈絲。但是，鎢絲的這種作用正在變得“過氣”，因為它們會將很多通過它們的電能轉(zhuǎn)化為熱而非光。具有諷刺意義的是，正是這一缺點不僅讓鎢絲獲得新生，而且也有助于解決能源短缺問題。
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