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清洁能源新进展:可以通过植物的光合作用,提高光伏电池的能源转换率
时间:2017/3/13 12:13:44 阅读684次
光伏电池是未来清洁能源的一个选择,但是能源转换率低下是一直困扰我们的问题,那么我们如何去解决呢?加州大学河滨分校的研究团队发现植物的光合作用中的奥秘也许是解决这个问题的关键所在。

    加州大学河滨分校的助理教授将光合作用和物理学进行结合,得出的结果证明,可以使太阳能电池效率更高。研究结果最近发表在“NanoLetter”杂志上。

    NathanGabor曾专注于研究凝聚态物理学,很快就对光合作用产生了浓厚的兴趣。在过去的六年里,他开始重新思考太阳能的转换问题:我们能不能把太阳能电池的材料换成可以更有效吸收太阳辐射的材料呢?Gabor说:“植物们通过不断进化已经可以达到这个目标,但是目前可用的太阳能电池最高只有20%的转换效率,而且不能控制太阳能的突然变化。”这极大地浪费了太阳的能量而且妨碍了太阳能电池作为能源的普及。

    Gabor和其他教授设计了一款新型的“量子热发电光伏电池”,解决了能量转换的问题,这款光电池可以控制太阳能电池中的能量流动。这个设计结合了热发电机和光伏电池,可以吸收太阳辐射的光子,并将其转换为电能。

    令人惊讶的是,研究人员发现这款电池可以在不需要主动反馈或自适应控制机制的情况下对太阳能进行调节转换,目前用于屋顶和太阳能农场的常规光伏技术当中,太阳能功率的变动必须要依靠变压器和反馈控制器进行控制,但是这大大降低了太阳能发电的整体效率。

    研究团队的目标是设计一款最简单的光伏电池,可以将太阳辐射中的能量与平均功率要求进行匹配,并可以对能量波动进行控制,以避免多余能量累积。

    研究人员对比了两款最简单的量子力学光伏电池系统:其中光伏电池仅仅吸收单一颜色的光,而另外一种电池吸收两种颜色的光。他们发现,通过简单地将光子吸收通道变为两个,光伏电池就自然而然的可以对能量流进行调节了。

    基本工作原理是一个通道吸收平均功率高的波长,另一个吸收平均功率低的波长。这样,光伏电池就可以在高功率和低功率之间进行切换,从而将不同功率的太阳能转换为稳定的能量输出。

    当Gabor和他的团队将这些简单的模型应用在测量地球表面的太阳光谱的时候,他们发现,绿色光的吸收率,即最能吸收每单位波长的部分对调整能量没有作用,因此应该被排除出去。他们从系统上对光电池参数进行优化,从而减少太阳能的波动,而且他们发现,吸收的光谱与绿色植物光合作用中观察到的光谱几乎一样。

    研究人员表明,量子热发电光伏电池对能量的调节能力可能是解开植物光合作用的关键,同时这也可以解释绿色植物在地球上的优势。

    其他研究人员最近发现植物中包括叶绿素A、叶绿素B在内的几种分子结构,对于防止植物体内能量过多积累起着至关重要的作用,如果没有这些分子的存在,过多的能量积累可能会杀死它们。河滨分校的研究人员发现,他们研究的光伏电池的分子结构与光合作用中叶绿素的分子结构十分类似。

    Gabor团队提出的假设首先将量子力学和绿色植物结合了起来,同时为检验自然调节的研究人员提供了一套明确的研究方案。更重要的是,他们的设计允许对无能量输入进行检测,这个程序使得光伏电池的量子结构从制造角度来讲变为可能
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