Light封面文章 | 从太阳和外太空同时收集能量的极限效率​

撰稿 | 张博

节能减排是应对能源危机和环境问题的关键。近日，美国斯坦福大学Shanhui Fan教授团队，基于热力学和传热学的基本规律，详细分析了多种条件下，从炽热的太阳和寒冷的外太空同时收集能量的热力学极限效率。他们的分析表明，将太阳能收集装置和辐射制冷装置集成在一起的系统，可以比单独利用太阳能(图1 a)或单独利用外太空(图1 b)的装置输出更多的能量，并且理论极限远超过现有的太阳能收集装置的极限。

图1. (a) 太阳能热光伏系统示意图.(b) 辐射制冷装置示意图

这项工作表明，在可再生能源的利用方面，同时从太阳和外太空收集能量具有显著的优势，为提高能量收集系统的效率带来了新的契机。

传统的化石能源不仅储量有限，在利用过程中，还带来严重的环境污染。太阳表面温度接近6000 K，提供的太阳能取之不尽，清洁无污染；外太空温度在3K左右，是一个天然的大冷库，如能有效利用太阳能和外太空的冷量，可有效缓解能源危机。图2展示了单独利用太阳能(如单结太阳能电池、多结太阳能电池、太阳能热光伏系统)和单独利用外太空冷量(如辐射制冷装置)的示意图。

图2. 仅利用太阳能或仅利用外太空收集能量的系统示意图

但是报道的单结太阳能电池的最高效率为29.3±0.7%，多结太阳能电池的最高效率为47.1±2.6%，太阳能热光伏系统的效率仅为6.8%，而且这些装置仅能在白天工作。研究者通过把太阳能收集装置和辐射制冷装置集成在一起，达到了同时收集太阳能和外太空冷量的目的。集成后的装置在夜晚也可以工作，可以输出更多的能量，而且具有更高的热力学极限效率。

单结太阳能电池的最高效率称为Shockley-Queisser极限。当电池温度保持在300 K，带隙能量为1.08eV时，最高效率为40.7%。研究者通过在太阳能电池上面涂覆吸收太阳能的物质(图3a)，以充分吸收入射辐射，提高电池温度，增加出射辐射，将系统的效率提升到了86.99%。

研究者进一步设计了，同时利用正向辐照(Positiveillumination)和反向辐照(Negative illumination)的装置(图3b、c)，并计算了电池在300K和2601 K下的效率，分别为44.16%、86.99%，均超过了Shockley-Queisser极限。

图3. 同时利用太阳能和外太空的系统示意图

使用多结太阳能电池，可以达到比单结太阳能电池更高的效率。在300 K下，多结太阳能电池的极限效率为86.8%，也称为彩色极限(multicolor limit)。

如图4c所示，研究者在多结太阳能电池的底部，增加了一层辐射制冷物质，当电池温度为220 K时，系统的最高效率达到了89.67%。他们之后考虑了利用反向辐照的多结太阳能电池装置(图4 d)，电池温度为2513K时，系统的最高效率达到了88.71%。

最后，他们考虑了同时利用正向辐照和反向辐照的多结太阳能电池装置，在电池温度为300K、307K时，最高效率分别达到了90.08%、90.01%。这些装置的最高效率均超过了彩色极限。

图4. 同时利用太阳能和外太空的多结太阳能电池系统示意图

使用太阳能热光伏(solar thermophotovoltaic, STPV)系统收集太阳能的理论效率，可以远超过单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限。STPV系统的极限效率，也称为黑体极限(blackbodylimit)。

当中间吸收器的温度为2544K时，STPV系统的最高效率达到了85.4%。研究者首先考虑了，将STPV系统和辐射制冷装置组合起来的系统(图5 c)。该系统由和太阳进行辐射换热的中间太阳能吸收器，放置在太阳能吸收器和热沉之间的卡诺(Carnot)热机，进行辐射制冷的热沉组成。

当太阳能吸收器的温度为2535 K，热沉的温度为221K时，系统的最高效率达到了88.36%。之后，作者考虑了和太阳能加热器结合的STPV系统(图 5 d)。该系统由中间的热发射器，太阳能加热的热沉，和放置在热沉和发射器之间的卡诺热机组成。当热沉温度为2535 K，发射器温度为221K时，系统的最高效率为88.36%。最后，作者考虑了同时利用正向辐照和反向辐照的系统(图 5 e, f)，并计算了中间吸收体温度为2544 K、2535 K，发射器温度为225K、221 K时的最高效率，分别为88.37%、88.36%。

这些组合装置的最高效率，均超过了黑体极限，表明STPV系统在同时利用太阳能和外太空方面，具有显著的优势。

图5. 同时利用太阳能和外太空的热光伏系统示意图

前面考虑的都是遵循洛伦兹(Lorentz)互易性的体系，打破洛伦兹互易性可以进一步提高系统的效率。

对于正向辐照，不需遵守洛伦兹互易性的体系的最高效率，可达93.3%，也称为Landsberg极限。对于反向辐照，Landsberg装置的最大输出功率为153.1W m-2。作者首先考虑了带有辐射制冷装置的Landsberg体系(图6c)，其由一系列的中间吸收器、卡诺热机和热沉组成。热沉只和卡诺热机、外太空进行热交换，其温度由热平衡方程确定。该体系在热沉温度为184.5 K时，效率达到了95.9%。

接着，作者考虑了工作在反向辐照条件下，带有太阳能加热装置的体系(图6 e)。在热沉温度为381.5K时，其最大输出功率达到了400.5W m^-2。然后，作者考虑了同时利用正向辐照和反向辐照的Landsberg装置(图6g)，其电池和周围环境换热良好。在电池温度为300 K时，该装置的最大输出功率为1648.2W m^-2，效率达到了102.89%。

需要说明的是，一部分输出功率来源于环境对外太空的辐射，在计算效率时，输入的总功率仍使用的是输入的太阳能功率，因此效率可以超过100%。最后，作者考虑了热沉和环境不换热情况下的Landsberg装置(图6h)，在热沉温度为167.6K时，效率达到了93.3%。这些同时利用太阳和外太空的Landsberg装置的效率，均超过了仅利用其中一种热源的Landsberg装置的效率。

图6. 同时利用太阳能和外太空的Landsberg极限装置示意图

表1. 不同能量收集方案的对比

文章信息：

该成果以“Thermodynamic limits for simultaneous energy harvesting from the hotsun and cold outer space”为题发表在Light: Science &Applications。

WeiLi博士为第一作者，Shanhui Fan教授为通讯作者。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0296-x

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