鎢絲巧變陽(yáng)光捕獲器 美開發(fā)出直接利用太陽(yáng)光的熱能發(fā)電技術(shù)
目前，人們可以利用太陽(yáng)能電池直接把陽(yáng)光轉(zhuǎn)為電力；也可以利用陽(yáng)光加熱水，再利用蒸氣驅(qū)動(dòng)渦輪，這些都是已經(jīng)很成熟的技術(shù)。但近日，英國(guó)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站在報(bào)道中指出，從理論上而言，我們還有第三種方法，也就是直接利用陽(yáng)光的熱能來發(fā)電。而且，美國(guó)科學(xué)家使用鎢絲制造的設(shè)備就做到了這一點(diǎn)，其光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)37%，性能優(yōu)于目前最好的硅基太陽(yáng)能電池。
太陽(yáng)熱能可直接轉(zhuǎn)化為電
為了用太陽(yáng)光發(fā)電，人們可以使用光伏電池直接將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電，或者使用太陽(yáng)光的熱量將水加熱，接著讓產(chǎn)生的水蒸氣驅(qū)動(dòng)渦輪來發(fā)電。目前，這兩個(gè)領(lǐng)域都有一些比較成熟的相關(guān)技術(shù)。但是，或許從理論上來說，我們還有第三條路可走，那就是直接用熱來發(fā)電，而不需要蒸汽或者渦輪。在這種情況下，幾乎所有的入射能量都能被轉(zhuǎn)化為電，然而，標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池因?yàn)閷?duì)某些頻率的太陽(yáng)光非常敏感，而對(duì)其他頻率的太陽(yáng)光不敏感，所以只能將部分太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電。而且，與加熱水再發(fā)電方法不同的是，第三種方法并不需要麻煩的力學(xué)過程。這樣的一套系統(tǒng)一旦建立好，不需要太多的人力和管理就可以很好地運(yùn)行。
美中不足的是，這種將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在陽(yáng)光直接照射下無(wú)法讓水的溫度比沸水更高。原因在于，當(dāng)水的溫度遠(yuǎn)高于開水的溫度時(shí)，其吸收熱量的速度和散熱的速度一樣快。這就有點(diǎn)令人抓狂了，因?yàn)檫@類直接轉(zhuǎn)化需要達(dá)到700攝氏度才能變得很有效率，而不使用特殊且昂貴的聚光球面鏡來聚集入射光根本無(wú)法做到這一點(diǎn)。
但現(xiàn)在，美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家皮特·博莫爾和同事在《納米研究快報(bào)》雜志上指出，他們研制出了一種陽(yáng)光捕獲器，能夠不使用聚光球面鏡來聚集入射的太陽(yáng)光。
新陽(yáng)光捕獲器由鎢絲制成
博莫爾提出的“陽(yáng)光捕獲器”是經(jīng)過復(fù)雜方式處理過的一層纖薄的鎢（它是一種耐熱金屬）。其面對(duì)太陽(yáng)的表面滿滿覆蓋著極其微小的凹洞；另一面則蝕刻成光子晶體結(jié)構(gòu)且面朝特殊類型的由砷化銦鎵制成的太陽(yáng)能電池，光子晶體結(jié)構(gòu)使得這一面能夠有選擇地散發(fā)出頻率能夠最大限度地被太陽(yáng)能電池所接受的紅外線輻射。而且，正反兩面都能由制造計(jì)算機(jī)芯片的光刻法制造而成。
正是這些直徑僅為3/4微米、深為3微米、分開排列在一個(gè)4/5微米寬的網(wǎng)格中的凹洞發(fā)揮了捕獲光線的作用。當(dāng)設(shè)備對(duì)齊使得凹洞直指太陽(yáng)時(shí)，大部分入射光會(huì)穿過這些凹洞進(jìn)入底部，在此處被鎢吸收。就像熱力學(xué)定律指出的那樣，這些光線旋即會(huì)釋放出來并輻射出去。然而，來自于一個(gè)凹洞內(nèi)部的熱輻射在逃入外面的世界時(shí)，很可能會(huì)遇到凹洞的壁。如此一來，整個(gè)吸收和再輻射過程又再次發(fā)生，結(jié)果會(huì)使凹洞的鎢變得非常熱。
為了將熱變成電，光子晶體會(huì)將熱導(dǎo)向太陽(yáng)能電池內(nèi)。光子晶體是一個(gè)蝕刻在鎢絲表面的規(guī)則的幾何圖案，只要對(duì)這些圖案進(jìn)行很好地調(diào)諧，它可以強(qiáng)化特定頻率的紅外線，并抑制某些頻率的紅外線，盡量釋放出能最有效地被砷化銦鎵太陽(yáng)能電池所捕獲的紅外線，以增強(qiáng)其吸收效率。
根據(jù)博莫爾的計(jì)算，新系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率能高達(dá)37%。而現(xiàn)在不使用鏡子聚集入射光的標(biāo)準(zhǔn)硅基太陽(yáng)能電池的最大轉(zhuǎn)化效率僅為28%，使用鏡子的標(biāo)準(zhǔn)硅基太陽(yáng)能電池的最大轉(zhuǎn)化效率為31%，因此，最新研究在光電轉(zhuǎn)化效率上有了明顯提升。當(dāng)然，下一步是盡量讓其變成現(xiàn)實(shí)，博莫爾對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性非常有信心。
人們一般用鎢絲來制造白熾燈的燈絲。但是，鎢絲的這種作用正在變得“過氣”，因?yàn)樗鼈儠?huì)將很多通過它們的電能轉(zhuǎn)化為熱而非光。具有諷刺意義的是，正是這一缺點(diǎn)不僅讓鎢絲獲得新生，而且也有助于解決能源短缺問題。
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