亚微米厚MEMS热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电系统与机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51776126
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0607.可再生能源与新能源利用中的工程热物理问题
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The energy conversion efficiency of present photovoltaic cell is about 10~30% in the visible region, However, the solar energy in the near infrared region are not utilized fully, even worse, which can significantly heat up photovoltaic cells and dramatically reduce the cell energy conversion efficiency. In this investigation, we will develop a sub-micron thin MEMS thermoelectric generator array combing with existing photovoltaic cells to convert the waste heat to additional electrical power that could greatly increase overall solar energy utilization . The mechanism of building a temperature difference over a sub-micron thin thermoelectric film (~1 K) and ultra-high thermal gradient(> 1000 K/mm)will be examined with the considerations of the scale effects, MEMS structures and nano-constructed multilayer thermoelectric films. The properties of composite multilayer thermoelectric film as well as the correlation between thermoelectric array and its conversion efficiency will be studied. In addition, cross-scale energy conversion model of thin MEMS thermoelectric array under various solar irradiations will be developed. The research on the sub-micron thin MEMS thermoelectric generator array and solar photovoltaic combining system could be a key innovation that may thrust a major breakthrough for the Chinese photovoltaic industry which is currently encountered difficult international trade barriers.
目前太阳能电池转换效率为可见光部分能量的10~30%,太阳能光谱中长波段(1100~3000 nm)的能量不仅不能被利用,还会造成光伏电池温度的升高而降低转换效率。本课题拟对亚微米厚MEMS热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电进行研究,探索利用光伏太阳板上低品质热能来提高太阳能的总利用效率的新方法。研究尺度效应对于小温度差(~1 K)与大温度梯度(> 1000 K/mm)条件下亚微米厚度间建立温差的机理,开展多层复合纳米热电薄膜材料的构成、MEMS热电阵列结构与热电转换效率之间关系的研究。优化多层复合纳米热电薄膜材料体系,建立不同太阳光照条件下亚微米厚MEMS热电阵列器件的理论模型。通过研发光电热电一体化共联发电系统,实现核心技术创新,将十分有助于我国突破目前光伏产业所遇到的国际贸易壁垒。

结项摘要

本项目针对MEMS 热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电进行研究,探索利用光伏太阳板上低品质热能来提高太阳能的总利用效率的新方法。研究尺度效应对于小温度差(1 K)与大温度梯度(>1000 K/mm)条件下亚微米厚度间建立温差的机理,开展多层复合纳米热电薄膜材料的构成、MEMS热电阵列结构与热电转换效率之间关系的研究。优化多层复合纳米热电薄膜材料体系,建立不同太阳光照条件下亚微米厚MEMS 热电阵列器件的理论模型。.在理论分析方面,建立起了亚微米厚度热电阵列以及太阳能电池的微观参数模型,为亚微米热电转换器件的试验设计、结果分析及数学模型建立提供详细全面的微观数据和信息,在此基础上对低维热电器件进行了加工制备,为以后的实验分析以及验证提供良好的技术支持。针对性的探索了低微热电器件界面之间的电子、声子传输特性,为探究亚微米厚多层复合纳米热电薄膜材料体系与其热电转换机理提供理论基础。已经取得的主要研究成果包括:.• 提出了“热的尺度效应(Scale effects of heat)”理论;.• 形成了纳米构建高效超晶格热电薄膜材料制备设备与技术;.• 完成了MEMS高集成大阵列(4.6万个热电单元)热电发电芯片制造;.• 实现了大气红外窗口红外辐射无源制冷发电实验演示验证;.• 阐述了小温度差与大温度梯度条件下能量的传输与转换的微观机理.• 探索了亚微米厚MEMS热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电提高太阳能综合转换效率。.在MEMS发电芯片研究方面,通过“热的尺度效应”理论创新与微纳加工技术突破,利用温差发电效应与半导体加工技术研制成功了世界上集成度最高的(4.6万对)MEMS热电芯片,其可以在很小的温差(<0.001℃)传统热机无法工作的条件下有效发电,芯片发电系统没有运动部件、没有噪音、使用寿命长、可以模块化组合并且适合规模化生产。经过院士专家评估鉴定,MEMS发电芯片已经具备产业化条件,对于未来碳达峰、碳中和有重要意义,目前正在积极推动该技术的产业化落地。.出版中英文专著4部,教材1部,发表论文24篇(其中国际期刊24篇,SCI收录24篇),会议论文及摘要14篇,书章节5篇,授权发明专利7项,获的国内外奖项4项,国际会议主旨、特邀报告19个,开设本科交叉创新课程1门。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(3)
科研奖励数量(4)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Lattice Strain Enhances Thermoelectric Properties in Sb2Te3/Te Heterostructure
晶格应变增强 Sb2Te3/Te 异质结构的热电性能
  • DOI:
    10.1002/aelm.201900735
  • 发表时间:
    2019-11-12
  • 期刊:
    ADVANCED ELECTRONIC MATERIALS
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Wu, Zhenhua;Chen, Xiang;Hu, Zhiyu
  • 通讯作者:
    Hu, Zhiyu
Bi2Te3 Nanoplates' Selective Growth Morphology on Different Interfaces for Enhancing Thermoelectric Properties
Bi2Te3 纳米板在不同界面上的选择性生长形态以增强热电性能
  • DOI:
    10.1021/acs.cgd.8b01632
  • 发表时间:
    2019-07-01
  • 期刊:
    CRYSTAL GROWTH & DESIGN
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Wu, Zhenhua;Mu, Erzhen;Hu, Zhiyu
  • 通讯作者:
    Hu, Zhiyu
Nanofire and scale effects of heat
纳米火和热的规模效应
  • DOI:
    10.1186/s40580-019-0175-4
  • 发表时间:
    2019-02-15
  • 期刊:
    NANO CONVERGENCE
  • 影响因子:
    11.7
  • 作者:
    Wu, Zhimao;Yang, Gang;Hu, Zhiyu
  • 通讯作者:
    Hu, Zhiyu
Thermoelectric converter: Strategies from materials to device application
热电转换器:从材料到器件应用的策略
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2021.106692
  • 发表时间:
    2021-11-15
  • 期刊:
    NANO ENERGY
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Wu, Zhenhua;Zhang, Shuai;Hu, Zhiyu
  • 通讯作者:
    Hu, Zhiyu
Fabrication and characterization of ultrathin thermoelectric device for energy conversion
用于能量转换的超薄热电器件的制造和表征
  • DOI:
    10.1016/j.jpowsour.2018.05.031
  • 发表时间:
    2018-08-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF POWER SOURCES
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Mu, Erzhen;Yang, Gang;Hu, Zhiyu
  • 通讯作者:
    Hu, Zhiyu

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其他文献

金纳米颗粒自组装膜的制备及其性能
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  • 发表时间:
    2013
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  • 作者:
    王雅晨;王晓红;胡志宇
  • 通讯作者:
    胡志宇
金纳米颗粒自组装膜的制备及其性能研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    上海交通大学学报
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    --
  • 作者:
    王雅晨;王晓红;胡志宇
  • 通讯作者:
    胡志宇
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  • DOI:
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    2017
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    常德龙
三峡库区巴东县黄土坡滑坡移民搬迁新址地质灾害评价
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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云药“七龙天”对缺氧大鼠动脉血气及肺小动脉重构影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    魏丹霞;姜莉芸;胡志宇;刘青
  • 通讯作者:
    刘青

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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