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Advanced Sustainable Systems:太陽能光熱轉換綜述——從基礎到應用
發布時間: 2022-08-25 11:17 | 【 【打印】【關閉】

  在即將到來的“碳達峰和碳中和”時代,發展低成本、環境友好、產業規?;男履茉醇夹g,以替代被廣泛認為會造成溫室效應、頻繁的極端氣候的傳統化石能源顯得尤為重要。太陽能是一種永不擔心耗盡的能源,幾乎每個國家都可以隨時使用。因此,與核能、風能和藍色能源相比,它是最有希望替代化石能源的能源。在太陽能轉換技術中,硅基光伏(PV)太陽能電池已經商業化,單片硅/鈣鈦礦太陽能電池的效率已達到29%以上。光熱轉換是利用太陽能的另一種方式,并且由于其在熱催化、水蒸發和海水淡化、殺菌和熱響應傳感器等應用中易于實現大的轉換效率(通常大于 50%)而引起了越來越多的關注。太陽能光熱轉換是指先將太陽能轉化為熱能,然后利用熱能達到預期的目的,如凈水、海水淡化、發電、催化轉化、殺菌等。因此,太陽能光熱轉換可以作為光伏轉換的補充,同時它也被認為是一種重要清潔能源利用技術。

  近日,德國伊爾梅瑙工業大學微納米技術研究所博士生程鵬飛、王棟博士、Peter Schaaf博士系統總結了基于不同的熱釋放形式的各種光熱轉換機理,并呈現了一些不同光熱轉換機理的例子。 此外,該論文不僅討論了作為太陽能驅動光熱材料在實際應用中的必要條件,而且討論了太陽能光熱轉換的最新進展,重點關注不同類型的光熱應用。 最后,我們總結并提出了太陽能光熱轉換面臨的挑戰和機遇。本綜述旨在全面了解基于光熱效應的新興太陽能轉換技術,特別是通過使用納米材料和納米結構。

  
【圖1】太陽能驅動光熱轉換的范疇示意圖。

  該綜述主要聚焦太陽能光熱轉換機制的材料類型、高性能光熱光吸收體系的必要要求以及一系列基于太陽能轉換的光熱應用(圖1)。首先,該論文總結了太陽能驅動光熱轉換的四種基本機理以及相應的材料類型,包括半導體的非輻射弛豫、金屬的等離子體加熱、有機分子的熱振動和微/納米結構材料的多次光散射作用。此外,一些復雜的材料體系會包含兩個或三個組合的基本機理。其次,討論了高性能太陽能驅動光熱材料的基本要求,例如在寬帶(特別是在整個太陽光譜范圍內)具有優異的光捕獲性能、合適的熱傳導、低熱發射率和多級穩定性(如抗腐蝕、抗菌、耐高溫)。然后,詳細介紹了太陽能光熱轉化在實際應用的最新進展,主要包括光熱水蒸發和淡化、光熱催化、光熱發電、光熱殺菌、光熱傳感器和光熱去冰等。光熱水蒸發由于可利用現成的太陽能處理不同的水源(海水、廢水、未凈化水),且高效、環保、經濟地獲得淡水和鹽分,因此受到廣泛關注。光熱催化產氫是利用太陽光和合適的催化劑生產氫氣的有效方法,基于太陽能光熱催化二氧化碳也是解決減排這些問題的最有希望的策略之一。光熱發電技術的輸出電壓和輸出電流小,卻可廣泛應用于可穿戴電子產品和微電子芯片中。光熱殺菌作為一種高效、綠色和可持續的技術,因此在健康衛生領域被廣泛研究。太陽能光熱除冰技術不僅環保、性價比高,而且可以解決我們日常生活中的各種安全隱患,如車窗結冰會導致視線模糊、樓梯結冰容易導致摔倒等問題。這些太陽能轉換技術為開發僅在陽光和環境條件下工作的具有成本效益、環保、高效和可持續的光熱轉換器提供了新的機會。在基礎研究和實際應用兩方面都應加大力度,以進一步提高光熱轉換器的性能,降低成本并延長光熱轉換器的使用壽命。

  文章來源:materialsviewschina

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