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新型低成本系统:在夜间高效发电

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中国节能网
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据美国光学学会(OSA)官网近日报道,美国斯坦福大学领导的研究团队设计出一款脱离电网的低成本模块化能量源,它能在夜间高效发电。该系统采用市面上已有的商用技术,最终将帮助满足城市地区夜间照明的需求,或者为发展中国家提供照明。

背景

尽管太阳能有许多优点,但它的使用严重依赖于阳光分布,而光照在许多地区都是有限的,且夜间完全不可用,一般来说需要昂贵的系统来存储日间制造出的能量,从而提高了太阳能的使用成本。

创新

为了寻找一个较便宜的替代方案,美国斯坦福大学教授范汕洄(Shanhui Fan)领导的研究人员们考虑采用辐射冷却。该方案使用从周围空气吸收热量所造成的温度差异以及冷空间的辐射冷却效应来发电。

在美国光学学会期刊《光学快报(Optics Express)》上,研究人员从理论上证明了这种经过优化的辐射冷却方案。该方案通过一个无需电池以及任何外部电源的屋顶装置,产生每平方米2.2瓦特的电力。这大约是之前实验演示的发电量的120倍,足以为模块化的传感器(例如在安全或者环境应用中使用的那些)提供电力。

论文第一作者范琳琳(音译:Lingling Fan)表示:“我们正在努力开发高性能、可持续的照明发电,让每一个人(包括那些发展中地区和贫困地区)都能获得可靠且可持续的低成本照明能源。模块化的能量源也可能为一系列应用中使用的脱离电网的传感器提供电力,并将汽车的废热转化为可用的能源。”

技术

采用辐射冷却发电的最有效途径之一,就是采用热电发电机。这些设备使用热电材料将热源与设备较冷一侧(或者说辐射冷却器)之间的温度差异转化为电压来发电。

在新研究中,研究人员们优化了热电发电的每一个步骤,从而使屋顶安装的设备的夜间发电量最大化。他们改善了能量吸收,使得更多的热量从周围空气流入系统中,并采用新的商用热电材料,提高设备对能量的利用率。他们也计算出,覆盖屋顶达一平方米的热电发电机能在热量损耗和热电转化之间实现了最佳的权衡。

团队成员之一的李伟(音译:Wei Li)表示:“最重要的创新之一,就是设计出一款连接设备较冷一侧的选择性热辐射器。这样就优化了辐射冷却过程,从而使得发电机可以更有效地摆脱过热。”

研究人员通过采用计算机建模以真实的物理参数模拟系统,从而论证了这个新方案。该模型准确地再现了以前的实验结果,并揭示了经过研究人员优化设计的系统接近之前采用热电转换方法计算出的最大效率。

除了展开实验,研究人员也检查了用于日间操作系统的优化设计,该设计将在夜间之外拓展系统的实际应用。