随着全球对可持续能源需求的不断增长,太阳能热电发电技术逐渐成为新能源领域的重要研究方向。太阳能热电发电器(STEG)利用塞贝克效应,将太阳辐射转换为电能,具有无需移动部件、结构简单且环境友好的优势。然而,长期以来STEG的效率和输出功率受到热界面材料性能和热管理技术的制约,导致其在实际应用中推广受限。近期,一项由罗彻斯特大学研究团队领导的创新研究通过飞秒激光光谱工程与先进的热管理策略,实现了STEG性能的多方面巨大提升,最高输出功率较传统设备提升了15倍,仅增加了25%的系统重量,为太阳能热电技术的发展带来了崭新机遇。飞秒激光技术作为一种超短脉冲激光处理手段,能够在金属表面直接制备纳米至微米级的多样化结构。这些结构不仅增强了太阳光谱范围内的吸收率,同时极大地降低了红外波段的热辐射发射,显著提升了热电发电器热能转换效率。
该研究通过在钨(W)金属表面采用飞秒激光加工,成功制造了性能优越的选择性太阳吸收器(W-SSA)。W-SSA表现出超过80%的太阳光吸收效率,同时保持了极低的红外热辐射能量损失,使得热侧温度显著提升。此外,研究团队设计并优化了一个塑料薄膜构成的"温室"腔室布局,用以限制 W-SSA表面与环境之间的对流热损失。这个空气层厚度经过数值模拟优化,达到了平衡抑制对流与导热散失的最佳效果,实现了对流损失降低40%以上。这种结构轻便且制造成本低,适合大规模工业应用。相辅相成的是,在冷端热管理方面,研究采用飞秒激光在铝(Al)金属表面打造了微结构化的超级散热器(μ-dissipator)。
这种散热器表面布满层级微纳米结构,极大地提高了散热表面积和红外发射特性,有效增强了对流和辐射的散热能力。实验数据显示,冷端散热能力较常规铝散热器提升了一倍以上,从而降低了冷端温度,使得跨端温差(ΔT)得以最大化,这对STEG功率输出的提升极为关键。将两者结合,研究团队组装并测试了集成W-SSA吸收器、温室腔体以及Al μ-dissipator的综合系统。结果表明,与常规未优化系统相比,输出功率提升了15倍,且仅增加了约25%的设备重量和体积,极大提升了系统的功率密度和便携性。系统在不同太阳辐照度条件下均表现出稳定且显著的功率增强,验证了设计的有效性和实用潜力。该创新不仅突破了材料固有的热电性能极限,也克服了传统STEG巨大冷端散热器体积的问题,使得高性能、紧凑且轻量级的太阳能热电发电系统成为现实。
其应用范围广泛,包括无需电池更换的无线传感器网络、便携式医疗传感器、可穿戴电子设备以及偏远地区的离网电源供应。未来随着高工作温度热电材料的研发和更高效热管理技术的结合,STEG系统的整体性能将得到进一步提升。与现有太阳能光伏系统相比,STEG具有宽光谱吸收优势,能够利用从紫外到近红外的全光谱太阳能,从而实现更稳定的能源转换。此外,STEG可与光伏技术组合形成混合系统,通过光谱分割实现更高的利用效率,满足更大功率需求。在制造技术方面,传统选择性太阳吸收器需要多层薄膜沉积和精密光刻工艺,成本高且周期长。而飞秒激光直接加工技术加工简单,单步成型,兼具可扩展性与环保优势,未来有望促进STEG的规模化生产和产业化应用。
对于热管理的设计理念而言,该研究首次结合了微纳米结构表面工程与空气层热阻优化,显著减少了热损失和提升热能利用率,为STEG领域树立了新的设计范式。总之,基于飞秒激光技术实现的光谱调控与热管理融合,为实现高性能太阳能热电发电器提供了有效路径。借助结构层级优化与材料本征特性的协同作用,STEG的输出功率与效率迎来质的飞跃,极大拓宽了其应用领域,推动了清洁能源技术的进步和智能无缝互联设备的普及。未来,随着纳米制造技术的进步及新型热电材料的研发,预计STEG技术将在可再生能源体系中发挥更加重要的作用,为全球能源结构转型和碳中和目标贡献力量。 。
