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日本东北大学开发出效率达5.1%的太阳能光热发电系统

发表于:2016-12-05 17:07:00 来源:日经BP
 日本东北大学2016年10月25日宣布,开发的太阳能光热发电(Solar-TPV:Solar-thermophoto voltaic)系统的发电效率达到5.1%,达到世界最高水平。这种发电系统的原理是,将包含广泛波长的光的太阳光转化成波长最适合太阳能电池的热辐射并进行发电。有望实现与多结太阳能电池概念不同的高效率光伏发电。

太阳发出的光(热辐射)具有广泛的波长分布(光谱)。单结太阳能电池只能使波长比使用的半导体材料带隙更小的光转化成电能,其他波长的光则无法转化成电能,而成为损耗。由多块太阳能电池重叠而成的多结太阳能电池通过扩大可吸收的波长区域,可以不浪费地将太阳能光谱转化为电能。但与单结太阳能电池相比存在生产成本高的课题。

Solar-TPV在通过聚集太阳光,对太阳光选择材料及波长选择发射器进行加热,之后,光电转换单元会利用波长选择发射器发出的与灵敏度波长区域相匹配的热辐射进行发电。太阳光的特点是可以先转化成热,然后在包含的光子能量总和不变的情况下,转换成其他波长的光线(热辐射)。这样,即使使用价格低廉的单结太阳能电池,也能实现高效发电。

太阳能光热发电

多结太阳能电池与Solar-TPV系统的特点

在本次研究中,东北大学提出了以“热辐射光谱控制”和“热辐射单向运输”的概念为基础来提高热辐射转化及运输效率的新方案,并根据这一概念进行了Solar-TPV系统的整体设计。Solar-TPV系统将太阳光转化成热辐射,是光子相互转化的波长转换系统,不同于将太阳光转化成热的传统聚光型太阳能热发电。

因此,提高效率的重点是,将吸收的太阳能无损失地运送到波长选择发射器,使波长选择发射器发出的热辐射光谱与光电转换单元的灵敏度波长区域匹配。也就是说,要求具有较高的“热辐射转化和运输效率”以及“光电转换效率”。

太阳能光热发电

(a)太阳能选择吸收材料与(b)波长选择发射器的光学特性

这两种效率能够通过太阳光选择吸收材料与波长选择发射器的光学设计和几何学设计来提高。对太阳光选择吸收材料的要求是,在太阳光光谱强度大的短波长区域具有高吸收率,在长波长区域具有低放射率(吸收率)。对波长选择发射器的要求是,在光电转换单元的灵敏度波长区域具有高放射率,在其他波长区域具有低放射率。

此次,研究人员设计出了可实现更高的热辐射转化效率及运输效率的面积比,抑制太阳光选择吸收材料的反射和放射损失,成功设计并制作出了热辐射运输效率有望达到54%、光电转换效率有望达到28%的太阳光选择吸收材料及波长选择发射器。在使用试制的太阳光选择吸收材料、波长选择发射器、镓锑光电转换单元进行的发电试验中,发电效率达到了5.1%。

相关研究成果已在2016年10月25日的《Applied Physics Express》上发表,并被选作Spotlights论文。

来源:日经BP

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