MIT同时实现热电转换、太阳能发电和热水供应
时间：2011-05-16 05:22:34
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[导读]由美国麻省理工学院（MIT）、开发热电转换技术的美国GMZEnergy公司、美国波士顿学院及阿拉伯联合酋长国（UAE）马斯达尔理工学院（MasdarInstituteofScienceandTechnology）的研究人员组成的研究小组，开发出了采用热
由美国麻省理工学院（MIT）、开发热电转换技术的美国GMZEnergy公司、美国波士顿学院及阿拉伯联合酋长国（UAE）马斯达尔理工学院（MasdarInstituteofScienceandTechnology）的研究人员组成的研究小组，开发出了采用热电转换元件的平板型太阳能发电兼热水供应系统。该系统能够“热电联产”，不仅能发电还能同时供应热水，发电的转换效率为5％左右，同时还能提供50℃左右的热水。
有关技术详情已在学术杂志《NatureMaterials》上发表论文。文章介绍说，此次的发电转换效率比原来的同类系统提高了7～8倍。今后转换效率还可能达到10％以上。另外，由于制造成本有望比基于光电转换（PV）的太阳能电池大幅降低，而且能够供应热水，折旧年限存在比太阳能电池大幅缩短的可能性，将来可能会成为太阳能电池的强劲对手。波士顿学院教授任志锋在接受《日经电子》采访时表示：“相对于发电功率的制造成本大约在0.5美元/W。由于还能供应热水，因此完全可以与太阳能电池展开竞争”。
通过集热式将集热效率提高200～300倍
以前也有过利用热电转换元件进行太阳能发电的尝试。但是，很难产生对热电转换至关重要的大温差，并且转换效率非常低，只有0.63％。
此次，研究小组通过三大改善措施实现了高转换效率。分别为：（1）开发出利用高效吸收阳光的平板汇聚200～300倍太阳热量的系统，从而确保了温差；（2）用玻璃真空容器包裹发电面板，大幅降低了热损失；（3）采用MIT等最近开发的ZT指数高达1.03的BiTe类热电转换元件（参阅本站报道）。
实际的面板是用面积约714mm2或约1090mm2的两块铜（Cu）板夹住尺寸为1.35mm×1.35mm×1.65mm的n型和p型两种热电转换材料，然后用玻璃真空容器密封而成。两块Cu板中，接受阳光照射的表面Cu板上贴有高效吸收阳光的材料，背面Cu板上贴有起散热作用的陶瓷板。另外，背面Cu板通过水冷式冷却使温度保持在20～60℃。面板的面积是热电转换元件自身面积的196倍或299倍。这种系统与集光式太阳能电池的主要差异在于：不需要大型聚光镜等，能够制成超薄的平板状，不需要追随太阳转动。
照射相当于普通阳光的光谱为AirMass（AM）1.5左右、能量密度为1kW/m2或1.5kW/m2的光线时，表面Cu板的温度达到160～250℃，最大可发电约60mW。据论文介绍，冷却端面板的温度维持在20℃时，转换效率为4.6～5.2％。
转换效率对冷却端面板的温度依赖性较小，“即使冷却端面板的温度达到50℃，转换效率也保持在3.5～4％。这样，冷却系统直接就是‘热电联产’的太阳能热水器”（论文）。
转换效率还可能达到14％
该技术的特点是理论值与实测值差距很小。在论文中，理论转换效率与实际测量值基本一致。理论转换效率大部分取决于热电转换材料的性能。“如果能够实现ZT＝2的热电转换元件，那么发电面板的转换效率就能够达到14％”（论文）。
另一方面，制造成本比现有太阳能电池降低。因为通过采用集热式，可以采用小号热电转换元件，并且无需追随太阳转动。论文提到“（此次采用的）BiTe类材料的采购成本只有0.17美元/W”。关于采用真空容器这一点，论文还介绍说“在中国，采用真空管的太阳能热水器已经导入73GW以上。这些产品的耐用年限为15年”。此外，此次系统的真空度比原有太阳能热水器差两个等级也没关系。
有关技术详情已在学术杂志《NatureMaterials》上发表论文。文章介绍说，此次的发电转换效率比原来的同类系统提高了7～8倍。今后转换效率还可能达到10％以上。另外，由于制造成本有望比基于光电转换（PV）的太阳能电池大幅降低，而且能够供应热水，折旧年限存在比太阳能电池大幅缩短的可能性，将来可能会成为太阳能电池的强劲对手。波士顿学院教授任志锋在接受《日经电子》采访时表示：“相对于发电功率的制造成本大约在0.5美元/W。由于还能供应热水，因此完全可以与太阳能电池展开竞争”。
通过集热式将集热效率提高200～300倍
以前也有过利用热电转换元件进行太阳能发电的尝试。但是，很难产生对热电转换至关重要的大温差，并且转换效率非常低，只有0.63％。
此次，研究小组通过三大改善措施实现了高转换效率。分别为：（1）开发出利用高效吸收阳光的平板汇聚200～300倍太阳热量的系统，从而确保了温差；（2）用玻璃真空容器包裹发电面板，大幅降低了热损失；（3）采用MIT等最近开发的ZT指数高达1.03的BiTe类热电转换元件（参阅本站报道）。
实际的面板是用面积约714mm2或约1090mm2的两块铜（Cu）板夹住尺寸为1.35mm×1.35mm×1.65mm的n型和p型两种热电转换材料，然后用玻璃真空容器密封而成。两块Cu板中，接受阳光照射的表面Cu板上贴有高效吸收阳光的材料，背面Cu板上贴有起散热作用的陶瓷板。另外，背面Cu板通过水冷式冷却使温度保持在20～60℃。面板的面积是热电转换元件自身面积的196倍或299倍。这种系统与集光式太阳能电池的主要差异在于：不需要大型聚光镜等，能够制成超薄的平板状，不需要追随太阳转动。
照射相当于普通阳光的光谱为AirMass（AM）1.5左右、能量密度为1kW/m2或1.5kW/m2的光线时，表面Cu板的温度达到160～250℃，最大可发电约60mW。据论文介绍，冷却端面板的温度维持在20℃时，转换效率为4.6～5.2％。
转换效率对冷却端面板的温度依赖性较小，“即使冷却端面板的温度达到50℃，转换效率也保持在3.5～4％。这样，冷却系统直接就是‘热电联产’的太阳能热水器”（论文）。
转换效率还可能达到14％
该技术的特点是理论值与实测值差距很小。在论文中，理论转换效率与实际测量值基本一致。理论转换效率大部分取决于热电转换材料的性能。“如果能够实现ZT＝2的热电转换元件，那么发电面板的转换效率就能够达到14％”（论文）。
另一方面，制造成本比现有太阳能电池降低。因为通过采用集热式，可以采用小号热电转换元件，并且无需追随太阳转动。论文提到“（此次采用的）BiTe类材料的采购成本只有0.17美元/W”。关于采用真空容器这一点，论文还介绍说“在中国，采用真空管的太阳能热水器已经导入73GW以上。这些产品的耐用年限为15年”。此外，此次系统的真空度比原有太阳能热水器差两个等级也没关系。
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