世界上很大一部分人口用不上电。标准光伏 (PV) 电池可以提供可再生的离网电力——但是——它们只能在白天发电，而不能在晚上发电。

尽管从 PV 电池的夜间辐射冷却中收集能量的概念建议和实际实施有多种，但获得的功率密度相当低。

研究人员已经建造了一种热电发电机，可以利用光伏电池与周围环境之间的温差发电。这项研究已发表在应用物理快报上。

在晴朗的夜空和 100 mV 的开路电压下，研究人员获得了 50 mW/m 2的夜间发电量，这比早期的性能高出几个数量级。

在许多依赖微型电网或离网系统的农村地区，夜间发电有时需要安装大量额外的电池存储，这会增加系统的复杂性。

根据热力学，需要从热源到冷却槽的热传递才能从热量中产生功。白天，光伏电池充当热机，将照射在光伏电池上的太阳能转换为电能，利用太阳作为热源，地球周围环境作为冷源。除了太阳辐射之外，还会发生从地球到外太空的辐射热通量。

由于地球大气在中红外波长范围内是清澈的，因此可以想象这种向外的热传递。平均而言，因为它必须平衡来自入射太阳通量的热流，以维持地球的温度，因此这种离开热流的幅度非常重要。

因此，地球上每一个可以进入天空的物体都可以向太空辐射热量，从而提供一种辐射冷却的方法。最近专注于在不同材料中实现冷却以及将其纳入与能源相关的活动中，例如建筑冷却，这引发了人们对这种辐射冷却效果的极大兴趣。

图 1 从 PV 电池夜间能量平衡的角度描述了 PV-TEG 装置的工作原理。

图 1. PV 电池辐射冷却的夜间发电。(a) 显示 PV 电池能量平衡的示意图和 (b) PV-TEG 装置的热电路模型。图片来源：Assawaworrarit 等人，2022 年

PV-TEG 装置的设计图和完成的原型如图 2(a) 和 2(b) 所示。该设备是围绕一个面积为A = 153 cm 2的 SunPower C-60 单晶硅太阳能电池构建的。

研究人员在光伏电池周围设计了一个空气绝缘室，底部有一个入口用于散热器连接，以限制与环境的寄生热流。低密度聚乙烯 (LDPE) 薄膜用于覆盖腔室顶部，该薄膜在可见光和中红外波长范围内都是半透明的。

图 2. PV-TEG 设备的设计和原型。(a) 设计图和 (b) 构建的原型。图片来源：Assawaworrarit 等人，2022 年

图 3.多日温度和功率测量。(a) 温度测量。(b) 光伏发电。(c) TEG 发电。请注意白天和夜间使用的不同比例。(d) 10 月 11 日晚上 8:50 时 TEG 电流-电压-功率关系的快照。图片来源：Assawaworrarit 等人，2022

功率和温度读数如图 3 所示。温度测量结果（图 3(a)）显示，光伏电池在白天因吸收太阳辐射而升温。PV 电池在中午左右达到比环境温度高出大约 15 °C 的峰值温差。图 3(b) 显示了测得的白天温差与光伏电池功率的关系。

TEG 功率值如图 3(c) 所示。

对于 10 月 10 日至 11 日的夜晚，当天空晴朗时，图 4 表明记录的夜间发电量与预测模型吻合良好。

图 4. 10 月 10 日 (a) 和 10 月 11 日 (b) 夜间模拟夜间发电量与实际测量值（线路）的比较。阴影区域表示使用相关模型的模型预测，该模型提供 ε atm范围。图片来源：Assawaworrarit 等人，2022 年

结论

总之，研究人员开发了一种 PV-TEG 系统，该系统可以通过采用辐射冷却将光伏电池的发电时间延长到夜间，同时在白天提供额外的电力。根据地区和天空质量，夜间发电范围为 10 至 100 mW/m 2。

在光伏电池安装越来越普遍的离网和微型电网情况下，该解决方案可以提供午夜备用照明和电力。由于热电发电机具有较长的使用寿命，因此所提出的系统的长期维护成本可能低于电池存储。

记录在案的功率密度已经引起了夜间照明等应用的关注。该系统还可以为偏远地区的传感器供电，从而降低或消除对电池存储的需求。