随着可再生能源需求的不断攀升,太阳能作为最具潜力的清洁能源形式之一,受到了科研界和工业界的极大关注。传统的太阳能光伏技术虽然成熟,但受限于半导体材料的电学带隙,只能利用太阳光谱的窄带,所以其光能转化效率难以大幅突破。而太阳能热电发电器(STEGs)凭借宽光谱吸收特性,通过塞贝克效应将温差直接转化为电能,成为一种极具潜力的替代或补充技术。然而,多年来STEGs的效率普遍偏低,尤其是在非太阳能聚光条件下转换效率往往不到1%,严重制约了其实际应用和商业推广。近日,一项突破性的研究开发出基于飞秒激光光谱工程和热管理相结合的技术路径,使得STEG性能实现了15倍的提升,而系统总重仅增加25%,开辟了太阳能热电技术发展的新纪元。太阳能热电发电的核心在于制造足够大的温差ΔT,即靠近光热吸收端的温度(热端)足够高,而冷端温度低廉。
通过提升热端对太阳光谱的吸收效率,同时降低热辐射损失以及增强冷端的散热能力,可以实现更大的温差,从而大幅提升输出电功率。在这项研究中,科学家们巧妙地利用飞秒激光束对金属表面进行微纳米结构改造,通过精确控制激光功率、扫描速度等参数,将普通的钨金属转化为选择性太阳吸收器(W-SSA)。该吸收器在太阳光波长范围内吸收率超过80%,而红外波段的发射率极低,有效降低热辐射损耗。钨作为高熔点金属,不仅具备优异的耐高温性能,还能在高温条件下保持结构稳定,保证了吸收材料的长期可靠运行。为了进一步降低热端的热对流损失,研究团队设计并制造了一个绿色温室腔室,通过在吸收器表面形成空气隔离层,显著减缓了空气循环带来的热损失。数值模拟和实验验证表明,约5毫米厚的空气层能够达到最佳的对流阻隔效果,有效降低对流与导热损失,整体热利用效率提升40%以上。
与此同时,冷端的热管理同样关键。常规散热片通常体积庞大,限制了STEG在尺寸和重量受限的微电子设备中的应用。采用飞秒激光技术对铝金属表面进行微结构加工,形成称为微结构热散装置(μ-dissipator)的创新散热装置。该结构通过微槽纹理极大地增加了冷端表面积,并通过纳米级的表面粗糙度提升红外辐射能力,使得冷端散热能力较传统平面铝散热片提升约两倍。综合利用了对流和辐射两种热传输机制,大幅降低冷端温度,进一步放大了整个热电发电器两端的温差。整合上述两端的优化设计,团队制造了集成了W-SSA与μ-dissipator的太阳能热电发电器。
工程实测数据显示,光谱和热管理系统综合作用下的STEG其输出功率实现了超过15倍的提升。相较此前高真空腔、复杂多层涂层以及体积庞大的水冷系统等方案,该方案不仅性能优越,而且采用单步飞秒激光加工,实现了工艺简洁、可规模放大的生产方式,大大降低了制造成本。同时,成品维持了轻量化和紧凑结构,极大推动了STEG向便携、集成设备领域应用的可行性。在物联网(IoT)快速发展的当下,分布广泛的无线传感器网络迫切需要低功耗、免维护的能量采集装置。STEG凭借全天候运行能力、无需电池更换的优势,有望成为这些设备的绿色能源核心。该技术还能应用于可穿戴设备、医疗传感器以及偏远地区的独立电源系统,实现能源自主和智能化管理。
研究还指出,未来通过采用更高性能的热电材料(如高ZT值的新型合金或纳米复合材料),配合飞秒激光技术制造的新一代太阳吸收器与更先进的微结构散热器,STEG的整体效率有望进一步提升,拓展更多功率等级和应用场景。同时,多能量收集的复合系统,如太阳能光伏-热电混合收集,也在逐渐被开发,搭载飞秒激光结构的STEG可作为其中重要组成部分,实现能量利用最大化。不可忽视的是,飞秒激光技术作为一种非接触、绿色环保且极具可控性的表面加工手段,展现了强大的产业潜力。它适用于多种材料和复杂几何结构,可实现智能化制造和大规模生产。该技术在太阳能领域的应用,无疑将推动材料设计和能源转换技术的深度融合。综上所述,飞秒激光光谱工程与热管理技术的创新应用,显著优化了太阳能热电发电器的性能,直接促进了太阳能资源的高效利用。
凭借较低成本、高性能和轻便的特点,这一技术解决了传统STEG性能低下的问题,提升了其实际应用价值。未来,随着材料科学与激光加工工艺的不断进步,太阳能热电技术必将在智慧城市、可穿戴装备以及绿色能源系统中发挥越来越重要的作用,助力全球能源结构的转型升级,实现可持续发展的美好愿景。 。
