太阳能作为最丰富的可再生能源之一,其高效利用一直是全球能源科学研究的重点。太阳能热电发电器(STEGs)作为传统太阳能光伏技术的重要补充,凭借其宽光谱吸收和热电转换机理,具备利用整个太阳光谱进行能量转换的独特优势。近年来,尽管STEGs因热电材料性能的局限和热管理策略的不足,限制了其实际应用范围,但最新研究基于飞秒激光光谱工程和创新热管理的突破,为其性能提升开辟了全新路径,实现了峰值输出功率高达15倍的飞跃,推动整个领域迈入新阶段。 STEGs的核心工作原理是基于塞贝克效应,即当两端存在温差时,热电材料能够产生电压,实现热-电能的转换效率提升主要依赖于温差的扩大。具体而言,提升温差可从两个方面入手:一是利用高效的太阳选择性吸收器(SSA)在热侧最大限度吸收太阳辐射,同时降低红外辐射热损失;二是在冷侧通过高效散热器促进热量快速释放,保持低温环境。传统的太阳选择性吸收器存在吸收带宽窄、制造工艺复杂且热稳定性差等问题,且冷侧散热器多采用体积大、重量重的散热鳍片,与日益增长的轻量化和紧凑型设计诉求相悖。
创新的光谱工程策略关键在于利用飞秒激光对钨(W)表面进行纳米结构化处理,将其转化为高效选择性太阳吸收器(W-SSA)。这种方法通过激光参数调节在W表面生成复杂的纳米构造,有效增强了太阳光谱范围内的吸收效率,同时显著降低红外波段的热发射,优化了光谱选择性,有效抑制了热辐射损失。特别值得关注的是,钨作为高熔点、高机械强度的金属材料,非常适合高温工作环境,确保了W-SSA在实际应用中的结构稳定性与持久性能表现。实验数据表明,W-SSA在高温条件下的光吸收率超过80%,而红外发射率保持极低水平,大幅度提高了热侧的太阳能-热能转换效率。 热管理方面,设计并实现了"温室腔"结构,将一层薄塑料膜与W-SSA表面之间形成限定厚度的空气层,利用空气本身极低的热导率和对流传热抑制效果,显著降低了热侧的对流和传导散热损失。通过计算流体动力学模拟和实验验证,发现最佳空气层厚度约为5毫米,该厚度能够兼顾热传导与对流阻隔,取得理想的隔热效果。
在实际测试中,温室腔设计使热侧温度提升幅度增加近45%,有效扩大了STEG的温差,进而提升发电性能。 冷侧散热结构同样趋于创新,通过飞秒激光技术对铝(Al)表面进行微米级结构刻蚀,形成高容量微结构散热器(μ-dissipator)。该结构拥有二维线状或网格化的微槽纹理,同时带有丰富的纳米/微米级表面粗糙度,使冷侧表面积大幅增加,增强自然对流散热效能。纳米级的粗糙结构进一步提升了铝散热面的红外辐射率,提高了辐射散热能力。研究发现,线性微槽结构因其空气流动路径及排出效率优于网格结构,成为理想选择,且适度的槽宽(约200至300微米)和深度(约100至150微米)优化了散热性能的平衡。最终μ-dissipator的整体冷却能力是普通铝散热器的两倍以上,为冷端保持低温提供强有力支撑。
这两项创新汇聚成协同增效的热管理体系,整合W-SSA和μ-dissipator后,STEG的峰值输出功率提升超过15倍,仅伴随系统重量增加约25%。该成果在多个太阳光照强度下均保持稳定,提升效果尤为显著。负载测试中,加入热管理组件后,STEG能够驱动高亮度LED灯亮度达到最大,展示其在物联网无线传感器、穿戴式电子设备和医疗监测传感器等领域的实际应用潜力。与未进行热管理的控件相比,综合提升大幅降低能源自给需求,提升便携性和功能实用价值。 飞秒激光表面处理技术相较于传统材料制备工艺(如高真空薄膜沉积、多步光刻工艺等),具有单步成型、绿色环保及适用于复杂形状大面积加工的优点。相应的工艺具有高度的可扩展性与工业化可能,显著降低成本和制造难度,为大规模推广应用提供坚实基础。
此外,该技术方案的模块化和灵活设计理念,亦为未来与光伏电池等其他能源转换装置结合奠定技术基础,推动混合式太阳能转换系统发展。 随着研究深入,未来聚焦点将包括拓展热电材料的工作温度范围,以配合更高温差工况,进一步挖掘STEG的性能潜能。同时,基于飞秒激光技术开发更多元化的功能表面结构,实现多物理场耦合优化,如光热转换、热电效能、机械韧性及环境耐候性等,将为太阳能热电技术应用打开更广阔天地。系统集成设计也将向轻量化、柔性化方向发展,适应智能穿戴、移动终端等新兴市场需求。 总之,飞秒激光光谱工程与热管理策略为太阳能热电发电器带来了质的飞跃,推动其性能与应用进入新的高度。这不仅为新能源领域提供了高效、稳定、轻量的解决方案,更为实现碳中和目标和可持续发展战略贡献了宝贵力量。
未来,随着材料科学、激光技术和热管理工程的不断融合创新,STEG的商业化进程必将加速,为清洁能源产业注入强劲动力。 。
