太阳能晚上也可以发电吗?最近澳洲科学家想透过所谓的「辐射冷却」机制,让太阳能板在夜间也有用处,期许最终可以发挥太阳能板白天的十分之一电力。
夜晚太阳能板确实有潜力,澳洲新南威尔士大学(UNSW)太阳能与再生能源工程学院副教授 Ekins-Daukes 指出,白天时阳光照射到地面,让地表变暖,夜晚时地表会将相同数量的能量辐射回太空。
就气象学来说,这个就是所谓的辐射冷却,地球表面所吸收的太阳热能,到了夜晚会向天空发射出长波辐射,如果夜间天气晴朗、微风及乾燥的情况下,地表的温度会快速冷却,产生突然降到低温的情形。新南威尔士大学团队认为,如果我们可以透过电池,将辐射流动转化为电能,那么就有大量未使用的潜在能量可供利用。
毕竟澳洲是世界上最大的屋顶太阳能用户之一。自 2001 年以来,拥有太阳能板的客户数量激增至超过 300 万,2021 澳洲家庭安装的屋顶太阳能达到创纪录的 3GW 以上。
不过话先说在前头,Ekins-Daukes 强调,「夜间太阳能」技术仍处于早期阶段。该研究证明其可行性,但发电量还是很低,相当于一般太阳能的 1/100,000,温差为 12.5 C 的情况下,功率密度为每平方公尺 2.26 mW,辐射效率为 1.8%。
(Source:新南威尔士大学)
传统太阳能电池结构基本上由 P 型与 N 型半导体结合而成,这种结构称为 PN 接面。当半导体吸收阳光时,PN 面对面会产生电子电洞对(electron-hole pair),在内建电场的作用下,受刺激的电子和失去电子的电洞会朝相反方向移动,进而产生电流与电压。靠近接面的区域则会形成没有可移动载子的区域,此区域称为空乏区(depletion region)。
团队所研发的设备名为热辐射二极体(thermoradiative diode),工作原理基本上与太阳能电池相反,吸收从地表(或其他热源)向上发散的热能,并将温差转变成电能,材料则与红外夜视镜相似。
新南威尔士大学太阳能与再生能源工程学院讲师 Michael Nielsen 指出,热辐射二极体功能确实与传统太阳能电池相反,但半导体 PN 界下来仍是设备核心,只是反向运行罢了。Ekins-Daukes 表示,如今热辐射二极体功率仍相当低,但其中一个挑战实际上是检测它,但该理论显示,这项技术最终有可能产生大约 1/10 太阳能电池功率。