太阳能作为一种清洁、可持续的能源,正在全球能源结构转型中发挥着关键作用。相比于传统的光伏技术,太阳能热电发电机(STEG)凭借其基于塞贝克效应(Seebeck effect)的独特工作原理,能够将热能直接转换为电能,为边缘设备、自供能传感器及便携电子设备提供了一种高效、紧凑的能源解决方案。然而,长期以来,STEG的低效能和散热问题阻碍了该技术的商业化应用。近期,通过创新性的飞秒激光光谱工程与先进热管理技术的结合,一项突破性研究实现了STEG性能提升15倍,重量仅增加25%,为太阳能热电发电领域注入了强大动力。 探索STEG性能瓶颈的关键在于材料热电性能指标与设备热管理效率。传统STEG受限于热电材料的低热电优值(ZT值通常约为1),使得热电转换效率极其有限,常规设备转换效率不到1%。
此外,热损失主要来源于热端辐射和对流散热不足以及冷端散热效率不高,这导致了热端与冷端的温差(ΔT)不足,进一步影响了电能输出。为提升STEG性能,就必须从提升太阳能吸收效率和优化热端散热开始,同时改进冷端热释放能力。 飞秒激光技术因其高精度、非接触、绿色制作的特点,被用于对金属材料表面进行微纳结构改造。通过对热端钨(W)表面施加飞秒激光处理,研究团队成功构建出选择性太阳吸收器(W-SSA),实现太阳光谱范围内超过80%的高效吸收,同时有效降低了红外波段的发射率,从而大幅减少热辐射损失。钨材料凭借其超高熔点和优异的机械性能,成为载体改造的理想选择。通过调整激光功率、扫描速度和扫描间距,得到最优的纳米结构尺寸与密度,实现太阳光的高效捕获与热辐射的抑制,保证了W-SSA在高温下仍具有良好的光谱选择性能。
针对热端对流散热问题,研究团队设计了一个新型"温室"结构,即在W-SSA表面与环境之间构建薄层空气隔热层。空气具有极低的导热性能,通过合理的空气层厚度设计实现了对对流和传导散热的显著抑制。计算流体动力学模拟与实验均表明,约5-6毫米厚的空气层能有效抑制热交换,减少热量流失,保持热端温度稳定,提高温差,从而进一步提升输出功率。这种温室结构结构简单、材料易得且重量轻,极大地增强了热端的热管理效果,为实际应用中的设备轻量化和高效化提供了解决方案。 在冷端方面,普通的铝质散热器常因表面平整导致散热面积有限,且仅能通过对流冷却实现热量释放。采用飞秒激光技术对铝表面进行微纳加工,创造出一种微结构化散热器(μ-dissipator),其表面由微沟槽和纳米鳞片组成,显著增加了辐射和对流散热面积。
此类结构不仅提升了辐射冷却能力,适应宽波段红外能量释放需求,更由于微米级间隙促进气流循环而改善了对流效率。实验结果显示,这种微结构散热器的冷端散热能力提升了约2倍,相较于传统散热器能够更有效地维持冷端较低温度,进而扩大温差,促进热电转换效能。 整合这两部分创新技术,研究团队构建了完整的STEG系统。热端采用飞秒激光处理的W-SSA结合温室空气隔热层,有效抑制辐射和对流损失;冷端则配备经过微纳结构优化的铝质μ-dissipator,最大限度提升散热效率。该系统在室内太阳仿真光源测试中,输出功率表现出15倍的提升,系统整体重量仅增加了25%,相较传统配置具有极高的功率密度优势。 多种太阳能辐照强度下的测试显示,热端管理技术对STEG性能提升尤为显著,带来约10倍的功率增益;冷端散热提升技术则稳定地提升约1.3倍功率。
二者协同作用下,达成了15倍的总性能改进。随着太阳辐射强度提升,尽管热电材料效率存在下降趋势,但整体系统仍然保持优越的性能表现。文中指出,今后通过选择更适合高温工作的热电材料,还有望进一步提高该技术的实用性能。 这项研究不仅体现了飞秒激光加工技术在材料光谱调控和表面结构工程方面的巨大潜力,也揭示了光谱工程与精细热管理相结合的设计思路在提高太阳能热电系统效率中的成功应用。传统的多层膜制备工艺复杂且成本高昂,而飞秒激光处理则为实现大规模、低成本制造提供了可行途径。此外,轻量化设计满足无线传感器网络和可穿戴设备的便携需求,极大地扩展了STEG在物联网、医疗监测等多个领域的应用前景。
未来,STEG技术可与光伏电池等其他太阳能转换技术相结合,构建混合能源系统,实现更高的太阳能利用率。随着技术的成熟,基于这套创新热管理策略的STEG有望成为边缘能源供应的重要支撑,推动智能传感、环境监测以及便携电子产品的普及和智能化升级。 综上所述,采用飞秒激光光谱工程与热管理的新策略为太阳能热电发电机性能带来了革命性飞跃。性能提升15倍且系统轻量化的突破将极大促进STEG的产业化进程,为实现更加绿色、高效的能源利用注入强劲动力。 。
