由于地球上有 10 億人依靠電網(wǎng)生活，因此在夜間使用可再生資源發(fā)電變得極其重要。由于晚上沒有太陽能，用戶可以利用宇宙的寒冷作為熱力學(xué)資源。

具體來說，用戶將能夠使用熱機(jī)，該熱機(jī)可以利用保持接近 300 K 的周圍環(huán)境與穩(wěn)定在 3 K 左右的外太空之間的溫度梯度來提取能量。這種方法將能夠通過穩(wěn)定的低溫冷散熱器（即外太空）有效地傾倒熱機(jī)輸出的多余熱量。

在這方面，下面列出的參考文獻(xiàn)中的第一篇文章介紹了使用輻射冷卻對(duì)夜間熱電發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行的有效優(yōu)化。作者證明了大于 2 W/m² 的功率密度——它比以前的工作高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且可以使用現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

盡管這種夜間發(fā)電的演示令人驚嘆，但確認(rèn)的功率密度相當(dāng)?shù)汀?shí)現(xiàn) 1 W/m² 級(jí)的功率密度是滿足無數(shù)應(yīng)用能源需求的關(guān)鍵。

深入研究功率密度

設(shè)計(jì)人員可以通過應(yīng)對(duì)以下兩個(gè)挑戰(zhàn)來提高發(fā)電量：

1. 發(fā)射器只需在大氣發(fā)射較低的頻率/角度吸收熱能，而簡單的黑體發(fā)射器² 在所有頻率和角度上都強(qiáng)烈吸收熱能。

2. 熱設(shè)計(jì)應(yīng)減輕不利于形成熱電流的過度寄生熱損失。^{阿拉伯?dāng)?shù)字}

所提出的系統(tǒng)（圖 1）允許在夜間實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)電。它結(jié)合了輻射冷卻和熱電發(fā)電，可以在無法收集太陽能的夜間運(yùn)行。該系統(tǒng)提供超過 2 W/m² 的功率密度。這比以前報(bào)道的利用現(xiàn)有技術(shù)獲得的任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1. 建議的系統(tǒng)允許在夜間實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)電：（a） 設(shè)置示意圖。（b） 輸出功率密度 p_max 是各種熱電品質(zhì)因數(shù)的熱電與輻射冷卻器面積比的函數(shù)，包括由卡諾發(fā)動(dòng)機(jī)提取的功率密度的一半確定的極限。其中，在 300 K 的環(huán)境溫度下，h_c = ^10-3 W/（m²K） 和 h_h = 10² W/（m²K）。

在實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)電時(shí)，熱電發(fā)電機(jī) （TEG） 占用的系統(tǒng)面積不到 1%。與常規(guī)黑體發(fā)射器相比，功率密度提高了 153%，因此最佳發(fā)射器的重要性變得顯而易見。

正在開發(fā)的太空應(yīng)用

檢查大量器件的整個(gè)制造過程的質(zhì)量非常重要，數(shù)十塊 1 cm² 的太陽能電池通過光刻技術(shù)定義并進(jìn)行測(cè)試（圖 2）。與太空應(yīng)用相關(guān)的更大單元尺寸正在開發(fā)中。

圖2. 這款 100 毫米外延片包含 1 厘米² 磷酸鎵銦 （GaInP）/鎵銦砷化物 （GaInAs）/鍺 （Ge） 晶格匹配 （LM） 三結(jié) （3J） 太陽能電池。（圖片由參考文獻(xiàn) 3 提供）

例如，有三結(jié)倒變質(zhì)多結(jié) （IMM） 結(jié)構(gòu)，其中包括中間子單元中的量子阱 （QW）。在圖 3 中，顯示了全局器件的層厚，而空間器件略有修改。

圖3. 圖為三結(jié)太陽能電池。（圖片由參考文獻(xiàn) 5 提供）

另一個(gè)應(yīng)用是航天器中的電力系統(tǒng) （EPS），它為所有車輛負(fù)載提供電力，對(duì)于安全完成 NASA 定義的任務(wù)至關(guān)重要。EPS 包括發(fā)電、配電和儲(chǔ)能。EPS 也是一個(gè)主要的基本子系統(tǒng)，在任何類型的航天器中都包含很大一部分體積和質(zhì)量。

例如，當(dāng)談到立方體衛(wèi)星時(shí)，最常用的架構(gòu)是純電池或太陽能電池陣列/電池配置。在這些情況下，必須將電池視為潛在危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈冇袝r(shí)會(huì)將儲(chǔ)存的能量與航天器中的腐蝕性材料相結(jié)合。

總結(jié)

外太空系統(tǒng)中的高功率密度增強(qiáng)了許多類型的太空相關(guān)應(yīng)用。航天器必須依靠強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)深空任務(wù)的挑戰(zhàn)。因此，可靠的電源管理和存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)于任何任務(wù)的成功都至關(guān)重要。

引用

1. “最佳利用外太空黑暗的夜間發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，Lingling Fan， Wei Li， Weiliang Jin， Shanhui Fan， Meir Orenstein;斯坦福大學(xué) Ginzton 實(shí)驗(yàn)室電氣工程系， 美國 斯坦福 94305;以色列理工學(xué)院電氣工程系，32000 Haifa， Israel， llfan@stanford.edu， shanhui@stanford.edu， CLEO 2021 ? OSA 2021。

2. “從黑暗中產(chǎn)生光明”，Aaswath P. Raman、Wei Li 和 Shanhui Fan，Joule，3（11）：2679– 2686,2019 年。

3. “用于高功率密度應(yīng)用的柔性和輕型 3J 空間太陽能電池的進(jìn)展”，Carlos Algora、Iván García、Pablo F. Palacios、Daniel Gómez-Reboreda、Pablo Martín、Clara Sanchez-Perez、Luis Cifuentes、Iván Lombardero、Mercedes Gabás、Ignacio Rey-Stolle，2023 年第 13 屆歐洲空間能源會(huì)議 （ESPC），太陽能能源研究所，馬德里理工大學(xué)，西班牙馬德里，2023 年。

4. “太陽能在空間中的應(yīng)用：回顧和技術(shù)觀點(diǎn)”，Rosaria Verduci、Valentino Romano、Giuseppe Brunetti、Narges Yaghoobi Nia、Aldo Di Carlo、Giovanna D'Angelo 和 Caterina Ciminelli，先進(jìn)能源材料，2022 年。

5. “通過厚量子阱超晶格實(shí)現(xiàn)具有 39.5% 地面效率和 34.2% 空間效率的三結(jié)太陽能電池”，Ryan M. France、John F. Geisz、Tao Song、Waldo Olavarria、Michelle Young、Alan Kibbler 和 Myles A. Steiner，國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室，2022 年 5 月。

6. “用于單片鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)太陽能電池的真空蒸發(fā)全無機(jī)鈣鈦礦頂電池”，Yashika Gupta、Minasadat Heydarian、Maryamsadat Heydarian、Patricia SC Schulze、Juliane Borchert，弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所 ISE，德國弗萊堡，2024 年 IEEE 第 52 屆光伏專家會(huì)議 （PVSC），978-1-6654-6426-0/24/?2024 IEEE，DOI：10.1109/PVSC57443.2024.10748856，INATECH，弗萊堡大學(xué)，弗萊堡， 德國。

7. “微型熱電發(fā)電機(jī)的功率密度優(yōu)化”，Kenneth E. Goodson、Marc T. Dunham、Michael T. Barako、Mehdi Asheghi，斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系;Saniya LeBlanc，喬治華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系;Baoxing Chen， Analog Devices Inc.