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太阳能温差发电，离实用还有多远？

发布时间：

2025-10-21 00:00

太阳能温差发电，离实用还有多远？

本文译自德国太阳能学会（www.dgs.de）的文章；原文题目：Wird die Solarthermie elektrisch? 作者：Götz Warnke

温差发电技术同样适用于小型场景，上图为灶台上的温差电风扇；图：Götz Warnke

温差发电（TEGs）是一项极具吸引力的技术，它能将热能直接转化为电能，无需像化石燃料发电厂那样，通过产汽这一耗能的中间环节。温差发电技术的物理基础是塞贝克效应：在由两种不同导电材料组成的电路中，当两个接触点处于差异显著的温度下时，就会产生电压。因此，这类发电机的工作依赖于热端与冷端之间的温差。在日常生活中，这类发电机常见于玩具或壁炉风扇中。

这一效应当然也能与太阳能热结合，因此相应的发电机被称为太阳能温差发电机（STEGs）。这类发电机能实现极高的效率 —— 早在2012年，美国研究人员就在《英国皇家化学会》的一篇论文中证实，其效率可达15.9%至30.6%。不过，这里存在一个问题：要达到这样的效率，太阳能温差发电机热端与冷端的温差至少需达到800°C，理想情况下需达1300°C，而这只有通过聚光太阳能技术才能实现。否则其效率会低于1%。但如今，新的研究成果让人眼前一亮。

美国纽约州罗切斯特大学光学研究所的一个科研团队研发出了新方法，能将原本不足1%的低效提升15倍。研究人员并未聚焦于温差半导体材料的化学组成，而是着眼于其表面结构与温度管理。

他们利用高性能飞秒激光器，在太阳能温差发电机的热端刻蚀出纳米结构，这使得黑色材料能吸收大量太阳能，却几乎不向外辐射热量。此外，他们用一层透明塑料薄膜覆盖热端，从而产生额外的温室效应，同时还确定了这类薄膜的最佳厚度。对于发电机冷端的铝板，研究人员也用飞秒激光器进行了纳米结构化处理，由此增大的表面积显著增强了辐射与对流散热效果。

研究人员认为，未来这类太阳能温差发电机可用于为LED、无线传感器、便携式设备或离网能源系统供电。罗切斯特大学科研团队的研究成果无疑令人印象深刻，但仍存在一些疑问：

如何将这种飞秒激光表面处理技术应用于大规模生产？要让太阳能温差发电机产品（例如与光伏设备相比）具备竞争力，这一转化至关重要。
考虑到所使用的塑料薄膜，热端的温度——以及由此产生的与冷端的温差——能达到多高？相关信息目前十分有限。显然，采用这种技术无法达到聚光型太阳能温差发电机（CSTEGs）的相近温度。
最后，这种非聚光型太阳能温差发电机的实际效率有多高？研究提到效率提升了15倍，但未给出具体的百分比数值。而且，关于现有技术 “不足 1%” 的效率（是0.02%还是0.8%？），也没有更多说明。若效率能超过10%，那无疑值得称道和提及，但这类性能数据并未被重点强调。相反，前文提到的 LED 和无线传感器等应用领域，暗示其效率可能处于低个位数范围。

但这并不妨碍这项技术的吸引力，因为低温太阳能温差发电机仍处于发展初期，且前景广阔：2019年，中国研究人员推出了一款热电联产太阳能温差发电机，与光伏光热一体化（PVT）类似，它能同时产生太阳能热和太阳能电，并可在三种不同模式下运行。或许这类概念会推动太阳能热利用在民用领域的复兴。