太阳能热能的测量正确吗？

ANTORA ENERGY

光电器件（thermophotovoltaic，TPV）的概念已经存在了50多年，指用于将光信号转换为电信号或电信号转换为光信号的器件。从那时起，这些TPV设备的转换效率已经能够达到40%（https://spectrum.ieee.org/thermophotovoltaic），比一些蒸汽涡轮机更好（https://energypost.eu/new-thermophotovoltaic-cells-turn-heat-into-electricity-more-efficiently-than-a-steam-turbine/）。它已经成为现代通信和计算机领域中不可或缺的组成部分，广泛应用于数字通信、医疗诊断等领域。

但这些转换效率数字的值取决于是否每个人都在测量相同的东西。为了解决这种不一致的测量，西班牙巴塞罗那ICFO（The Institute of Photonic Sciences，https://www.icfo.eu/）的研究人员提出了一种通用优值（FoM，figure of merit），可用于更好地评估TPV设备的性能。

ICFO的研究人员认为，这一新指标可以为评估TPV性能提供一个通用标准，从而彻底改变TPV的评估，解决长期存在的挑战，并有可能加速TPV技术在各种应用中的采用。

引入的FoM减轻了温度依赖性，并考虑了功率密度和效率之间的基本权衡。基于这一FoM，ICFO团队对最近实验中报道的TPV性能进行了分类。

传统上，TPV性能是使用电功率输出与吸收的热通量的比值来测量的。虽然这一指标并非毫无意义，但它也因无法考虑设备参数和实验条件等关键因素而受到批评。

ICFO的博士后研究员、该研究的主要作者Maxime Giteau说：“TPV系统现有的优点存在局限性。它们无法提供全面的性能视图，并阻碍了不同实验和出版物之间的比较。”

太阳能电能和太阳能热能之间有什么区别？

在太阳能PV中，单个结器件的效率不能超过约30%的Shockley-Quisser极限（https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit）。相比之下，对于TPV效率或功率密度都没有类似的限制。Giteau表示：“鉴于该领域的快速发展，我们认为引入一种在TPV系统中也能提供此类见解的FoM是有用和及时的。”

新FoM的一个关键优势是它能够提供用于比较TPV设备的单一通用度量。与传统方法不同，传统方法通常根据使用的特定参数产生不同的结果，FoM提供了一种标准化的方法，使研究人员能够衡量理论效率极限的进展。

在太阳能PV和TPV系统中，光伏电池产生的功率密度（例如，以瓦特每平方米为单位）转化为光伏系统产生的总功率。在太阳能光伏中，效率被定义为该电功率密度与入射太阳能通量之间的比率。后者是一个标准量。因此，当太阳能光伏电池的效率被额定时，单个度量就足够了。

相反，尽管TPV的功率密度与太阳能PV的情况下的功率密度定义相同，但效率并非如此。在TPV系统中，效率被定义为发射极和电池之间的电功率密度和热交换之间的比率。这种热交换取决于TPV发射器的特性，如发射率和温度、电池的光学特性以及其他实验条件。除了效率之外，电功率密度是一个不同的性能指标。一个指标不能从另一个指标中扣除。

Giteau和他的同事表示，他们的新FoM有潜力在传统太阳能应用之外的领域为TPV技术打开新的机遇。虽然太阳能光伏（PV）仍然是可再生能源市场的主导力量，但TPV系统提供了独特的优势，特别是在有本地热源或储热器的情况下。

Giteau指出：“TPV系统用途广泛，可以利用各种来源的能量，包括废热和热电池。这为小规模能源生产和废热回收开辟了新的机会。”

TPV系统的多功能性使其非常适合传统太阳能以外的一系列应用。除了废热回收和热电池外，TPV技术有望用于太空探索、电动和自动驾驶汽车以及其他紧凑高效发电至关重要的领域。

Giteau说，随着TPV研究的不断发展，新FoM的推出代表着在寻求增强能源转换技术方面迈出了重要一步。Giteau表示：“我们希望我们的工作将为TPV技术的进步铺平道路，并为全球向可持续能源解决方案的过渡做出贡献。”

研究人员本月在《光子能源杂志》（https://www.spiedigitallibrary.org/journals/journal-of-photonics-for-energy/volume-14/issue-04/042402/Thermodynamic-figure-of-merit-for-thermophotovoltaics/10.1117/1.JPE.14.042402.full#_=_）上发表了他们的研究成果。