太阳能作为目前最具潜力的可再生能源之一,其高效利用成为全球科研的热点。太阳能热电发电机(STEG)因其能够直接将热能转换为电能,且覆盖太阳光谱较宽,在可持续能源领域拥有广阔的应用前景。然而,长期以来,STEG的转化效率受限于热电材料的性能和热管理效率,导致其难以实现大规模商业化应用。近期,结合飞秒激光技术的光谱工程和先进热管理策略,科学家成功将STEG的输出功率提升至原来的15倍,极大推动了太阳能热电技术的发展。太阳能热电发电基于塞贝克效应,利用热电材料的温差产生电压,实现温差发电。提高发电效率的关键在于有效提升发电器两端的温差。
热电材料的效率用无量纲参数ZT来表示,但经过数十年的发展,ZT值提升空间有限,约为1左右,难以实现质的飞跃。因此,科学家们转向从系统设计的角度,通过优化光谱吸收和热管理,来放大热端升温和冷端散热,从而实现温差倍增。飞秒激光技术以其极短的脉冲宽度和高峰值功率,能在材料表面制造精细的纳米与微米结构。这些结构通过调控表面等离子体共振,实现了对光谱吸收和发射的精准控制。在热电发电器的热端,传统的钨材料经过飞秒激光处理,转化为选择性太阳能吸收体(W-SSA),该吸收体对太阳光谱范围内的光吸收率超过80%,同时显著降低了红外辐射的发射率,减少了热能以辐射方式的损失。钨的高熔点和机械强度确保了该结构在高温环境下的稳定性,在不同太阳浓缩条件下均表现出优异的太阳能转热能力。
除了材料的光谱优化外,热管理同样重要。科学家设计了类似温室效应的腔室结构,将W-SSA包覆其中,利用薄空气层有效阻断热对流和传导。这种5毫米厚的空气层经过数值模拟与实验验证,最佳地抑制了热对流,减少了热损失,在热端温度接近95摄氏度时,实现超过40%的对流热损失下降。此设计不仅复杂度低且轻量化,有利于实际应用。冷端的热管理同样采用了飞秒激光加工,针对铝材料表面刻蚀出微米级槽纹和纳米级结构,制备成超高性能微结构散热器(μ-dissipator)。该散热器同时增强了自然对流散热和红外辐射散热,结合扩大了散热表面积和提升红外发射率,散热效率较普通铝散热体提升了两倍。
通过多种激光扫描图案及槽宽深度的优化,科学家确认了最优设计参数,实现系统散热最大化。此外,实验中采用了商业生物碲(Bi2Te3)热电模块,将上述热端选择性太阳吸收体和冷端微结构散热器集成,比较了无热管理、单侧热管理及双侧热管理的性能表现。结果表明,单侧热管理能够带来约10倍的输出功率提升,而双侧联合管理则实现约15倍的发电性能增长,出色地兼顾了功率密度和设备整体轻便性,最终系统重量仅增加25%。这一显著提升为STEG的实际应用扫清了技术障碍。该技术经过测试能够在多种太阳浓度条件下稳定运行,且所采用的飞秒激光表面处理工艺为单步、可规模化且环保的物理加工方式,适用于各种复杂几何形状的金属表面,具备大规模制造潜力。相比传统的多层薄膜涂层吸收体或传统机械散热器,飞秒激光技术展现出独特的经济和性能优势。
凭借该性能突破,STEG有望为无线传感网络、物联网边缘设备、穿戴式电子以及医疗传感器等领域提供持续、可靠和环保的电源供应,减少对电池与电网依赖,增强设备自主性。未来,结合其他可再生能源技术如光伏热电混合系统,STEG的能量收集能力将进一步提升。此外,随着新型高性能热电材料的发展,结合飞秒激光光谱和热管理技术,有望实现更高的效率和更广的应用场景。总之,飞秒激光光谱工程与先进热管理的结合为太阳能热电技术带来根本性的革新,突破了过去效率低下的瓶颈。以钨基选择性太阳吸收体和铝基微结构散热器为核心的新型STEG设备,实现了15倍输出功率提升,且保持系统紧凑轻量,极大推进了太阳能热能转电能技术的实用化进程。随着材料科学、激光技术和系统集成的不断发展,未来的太阳能热电发电系统将更加高效、稳定且应用广泛,为全球绿色能源转型贡献强大动力。
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