熱光電轉換，是指把熱輻射通過光電池轉換成電能。相對於太陽能發電來說，利用普通的熱源發電更具一般性。
基本介紹
- 中文名：熱光電轉換
- 外文名：thermophotovoltaic conversion
- 優點：噪聲小、污染低、設備簡單
- 原理：熱光伏效應
- 過程：熱光—光電轉換
- 套用：軍事、民用
原理,特點,轉換過程,發射器選擇,套用,
原理
和太陽輻射的溫度6000 K相比，普通的熱源的溫度一般在1800K左右(或更低)，其黑體輻射譜波長的峰值在1.61μm左右，如果採用常用的矽光電池(光子能量閾值在1.1eV，也就是最大波長是1.13μm)，可以算出發電的那部分光的能量占總輻射能量的比例不到20%，實際發電效率更低(不到10%)。除了提高光電池的光電轉換效率之外，在目前的技術水平下，重要的是提高能用來發電的那部分輻射能量占總輻射能量的比例。實現後者的辦法就是採用選擇發射器。其原理就是吸收熱輻射，然後發出高於光電池閾值的光輻射。整個熱光電的轉化過程稱為熱光伏效應(TPV ) 。
特點
熱光電轉換過程中的能量轉化有其自身的特點。熱光伏效應(TPV )涉及到的典型熱源的溫度在1300 K~1800 K，但是單位面積上接收到的能量能夠達到300kW，遠遠大於地球上單位面積接受到的太陽能1kW，這就是說熱光電轉換在單位面積上可以有更多的能量用於發電。同時，熱光電轉換能克服太陽能發電受地區、氣候、季節和晝夜變化等因素影響的缺點，而且無噪聲。
轉換過程
熱光電轉換過程分為2個階段：
1、熱光的轉換過程
此過程實現的關鍵在於發射器的選擇，理想的發射器要求在有效能量範圍內，發射器的發射率為1，而在其他地方為0，實際只能做到在有效能量範圍內發射率比較大(接近1)，在黑體輻射譜中心附近但不在有效能量範圍內的頻譜範圍發射率比較小(接近0)。
2、光電轉換
光電的轉換過程和太陽能光電轉換本質上是相同的，都是把能量合適的光轉換成電。由於太陽能光電轉換的過程已經發展得比較成熟，有現成的光電池可用，因此熱光電轉換過程實現中的關鍵問題在於熱光轉換的實現，即找到合適的選擇發射器。
發射器選擇
選擇發射器需要有非常嚴格的功能特性，這些功能特性包括對熱輻射強吸收、強自發輻射躍遷，以及耐高溫(其工作在高溫環境下)。所以對發射器材料的選擇往往是對材料功能特性和熱結構參數的綜合考慮。高熔點的摻稀土離子的化合物由於稀土離子4f電子殼層獨特的能級特點(有豐富的分離能級和良好的發光特性，並可以通過選擇合適的稀土離子來選擇輻射光子的能量範圍)，是尋找選擇發射器的一個重要方向。
摻稀土離子化合物的熱光轉換動力學分析：
在熱光轉換過程中，熱能主要以構成材料的原子的振動(聲子)的形式存在，稀土離子通過吸收多個聲子激發到高電子能態，再通過發射光子(發射聲子的過程也同時存在)回到低電子能態，實現了熱光轉化。為了簡化，把稀土的所有的低能態可以近似看成一個能態，能量較低的一些可以發光的激發態也可以看成一個能態，在這種情況下就得出二能態系統模型；如果需要考慮更高的激發態，則可以得出三能態系統或更多的能態系統模型。
套用
由於熱光電轉換髮電系統相對於傳統的發電系統來說具有噪聲小、污染低、設備簡單、穩定性好和設備壽命長等優點，在小規模的套用上相對其他熱發電裝置來說效率高，而且可以利用日常生活中的廢熱進行發電。提高利用率，所以世界各國，特別是已開發國家很早就開始對熱光電轉換系統的探索，取得了巨大的進步。當前套用熱光電轉換系統的成本還是比較高，所以進一步降低成本是推廣熱光電轉換系統的關鍵問題之一。當前熱光電系統的套用主要在以下幾個方面：
1、軍事上主要利用熱光電轉換系統噪聲小、設備簡單、可靠性好和使用壽命長的特點，例如利用其可靠性好和使用壽命長的特點來提供衛星的持續動力和太空探測持續動力等；
2、民用上主要有以下幾類：攜帶型發電機，它具有和傳統發電機相當的功率，但是噪聲要小得多；居民住宅混合供熱和發電系統，它能夠利用廢熱來發電和供熱，提高能量的利用率；混合動力汽車以及各種獨立裝置等；
3、可以提高太陽能發電的效率，也是熱光電轉換系統套用的一個方面。
