太阳能作为可再生能源的重要组成部分,长期以来备受关注,而太阳能热电发电器作为将太阳热能直接转化为电能的新兴技术,其发展潜力巨大。然而,由于热电材料效率有限以及散热设计不理想,太阳能热电发电器的实际应用受到了诸多限制。最近,在光谱工程和热管理领域的一项突破性研究中,科研团队利用飞秒激光技术分别对发电器的热吸收面和散热面进行了创新性的微纳结构设计,实现了性能提升达15倍的突破,为太阳能热电发电开辟了新的格局。太阳能热电发电器的核心是基于塞贝克效应,依靠热量差驱动产生电压,因此提升工作温差至关重要。传统发电器在高温下,热吸收器往往存在较大红外辐射热损失,同时冷端散热不足,导致温差有限,转换效率普遍较低。研究人员针对这些问题,提出了系统性的光谱工程与热管理方案,旨在最大限度地提高太阳光吸收效率并有效减少热量损失,同时优化冷端散热性能,从而扩大温差并提升输出功率。
钨基材料因其高熔点和优异的机械性能成为热吸收面理想选择,团队利用飞秒激光在钨表面生成精密的纳米结构,使其成为高效选择性太阳吸收器。该吸收器能够在300至2500纳米的太阳光谱范围内实现超过80%的吸收效率,而在红外波段的辐射发射率则保持极低水平,实现了优秀的光谱选择性。与传统多层薄膜吸收器不同,飞秒激光工艺为单步物理刻蚀技术,避免了材料热膨胀系数不匹配带来的机械稳定性问题,且具备工艺简便、可扩展、高效环保等优势。与此同时,为了抑制热吸收面上的对流换热损失,研究中设计并制造了带有空气薄膜层的"温室腔室",通过合理调控空气层厚度,既阻碍了热空气循环,又避免了过度的传导热损失,实验结果表明该设计可减少热面对流损失超过40%。冷端散热器则采用铝基微结构设计,利用飞秒激光制造深度约一百微米、宽度数百微米的微槽,并在微槽表面形成纳米级结构,极大地增加实际散热面积。该微结构散热器不仅提升了对流散热能力,更显著提高了红外辐射散热性能,辐射发射率较平面铝表面提升7倍以上。
复杂微结构的设计基于精细的数值模拟,兼顾空气流动通道和表面辐射优化,实验证实该微结构散热器比传统铝散热器散热效能提升了一倍以上。在整合的系统性能测试中,通过联合使用钨基选择性太阳吸收器、温室腔室以及铝基微结构散热器,太阳能热电发电器的输出功率相比未优化裸机提高了约15倍,而总重量仅增加25%,表现出极佳的功率密度和设备紧凑性。此性能飞跃不仅证明了光谱工程和微纳结构热管理策略的有效性,更为热电转换技术在无线传感网、可穿戴设备、医疗传感等领域的应用提供坚实基础。该技术的核心优势在于飞秒激光加工的高度灵活性,使其可适用于各种复杂形状和多种材料,未来有望实现大规模、低成本量产。此外,强化光谱选择性吸收和散热的双重策略可广泛应用于其他太阳能利用技术,如热光伏系统和混合光伏-热电复合器件,进一步提高太阳能转化效率。总的来看,通过创新的飞秒激光光谱工程与热管理设计,太阳能热电发电技术实现了质的飞跃,克服了传统散热与材料性能的限制,为绿色能源转换注入了新的动力。
在全球能源转型和碳中和目标日益迫近的大背景下,该技术的推广应用将有效促进分布式电源发展,推动智能传感及物联网设备的自主能源供给,助力构建更环保高效的未来能源体系。未来科研还需针对高温热电材料的研发配合优化设计,以进一步提升系统整体效率与稳定性,为应用拓展奠定坚实基础。随着制造工艺的成熟和成本的降低,太阳能热电发电器有望在可预见的未来成为多领域绿色能源解决方案的重要组成部分。 。
