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利用太阳能、风能乃至地热能等可持续能源发电，如今早已不是什么新鲜事，但是通常也会面临一些明显的短板问题，例如，太阳能在夜间就没办法发电。
而一般来讲，夜间才是人们用电的高峰期，那有没有一种可以全球普适的、相对廉价的新发电方式，利用地球夜间的某种能量就能发电？这并不是异想天开，来自斯坦福大学的一个华人研究小组就实现了这种想法。
研究人员提出了一种利用地球 “辐射冷却” 效应的高效发电系统，该系统利用辐射制冷的原理，将热量投射到寒冷的宇宙中，再与热电技术相结合，在无法获得太阳能的夜间发出电来。
通过多层材料和结构的创新，研究人员使用热电发生器 (TEG) 可以实现每平米超过 2W 乃至 3W 左右的功率密度，这比此前业界报道的相同原理的实验结果高出两个数量级，是该领域的巨大突破，足以为一些 LED 照明器件、模块化传感器等持续供电。
当然，这一数据与太阳能每平米 180W 左右的功率密度相差很大，意味着相关研究未来的应用场景，更可能是太阳能之外的一种可再生能源补充。
图｜一种离网低成本的模块化发电装置，利用辐射冷却有效地为夜间照明提供电能（来源：范铃羚）
该研究日前发表在美国光学协会（OSA）的《光学快报》（Optics Express）上，使低成本高效率的夜间发电技术成为可能，论文的第一作者范铃羚是南京大学物理系毕业生，2018 年入学斯坦福大学攻读博士，今年 23 岁，师从华裔科学家、斯坦福大学电子工程教授范汕洄，所在的研究小组涉及等离激元学、超材料、硅光子学、光伏、量子光学和计算电磁学等多项交叉的基础科学和应用研究。
何以夜间持续发电？
想必很多人都比较好奇，这种利用 “辐射冷却” 来发电的技术原理是怎样的？范铃羚对 DeepTech 解释说：“通俗来讲，这套系统利用的是一种热量的‘定向流动’，把温差转化成电能。”
这里有一个概念叫辐射制冷，是指物件透过辐射散去热能的过程。在气象学上，地球表面所吸收的太阳热能到了夜晚会向天空发射出长波辐射，进而地表的温度会快速冷却，产生所谓的“辐射冷却效应”。
利用这样的原理，这套夜间发电系统的能量 “进口” 是来自于地球夜间的大气，比如夏天气温可以达到三十八九度，通过热端材料能够给这个系统输入能量，而冷端的输出就是如何把能量最高效地发射到外太空。
范铃羚表示，这里的关键是通过一些材料的设计创新实现了选择性消光，简单来说，就是把热端的能量集中在一些特定的波段和角度进行发射，这样就能克服大气层的吸收以及一些其他的消耗，把能量最高效地发射到外太空去。
图｜“辐射冷却”发电的原理细节（来源：Optics Express）
于是在系统的热端 - 冷端之间，就出现了一个非常恒定的温度差。得益于材料和装置创新，这套系统能够把热量尽可能多地输入进来，也能够把热量最大化地发射到外空去，然后就有了热量的流动，在进和出这两端就形成温差，有了温差就能通过材料内部的热电转化部件利用塞贝克效应（也称第一热电效应），直接将热能转化为电能。
热电转化部件具有体积小、无噪声、可靠性高等特点，被业界认为是一种绿色环保的发电方式，而现在与辐射冷却技术的结合碰撞，激发了更多的科研思路，让一些看似不可能的事情正在发生。
完全没有其他的能源消耗，就能够利用温差可持续产生电，是不是有点儿不可思议？范铃羚介绍，这项研究的基础其实是在导师此前的研究成果上的一种延展。
范汕洄团队早在 2013 年提出了一种 “辐射制冷” 技术，2014 年曾发表在《自然》上，在杂志封面也曾被提及，那是一种无需任何电力输入即可进行冷却的被动制冷策略，研究人员发明了一种集成光子太阳反射器和热发射体组成的 7 层材料薄膜，把这种薄膜置于建筑物屋顶，就能让建筑物内部的热辐射远红外光（8-13 微米）散发出去，同时还能反射外部太阳光，实验证明，在直射阳光下，辐射冷却材料能实现低于周围空气温度近 5 摄氏度的效果。
图｜范汕洄团队的研究 2013 年被《自然》杂志在封面推荐（来源：Nature）
回顾当时的论文，其实有一句话非常有趣：宇宙中的寒冷与黑暗可以用作可再生的热力学资源。
这句话可以解释接下来的另一个重要疑惑：既然是利用所谓的 “温差” 来夜间发电，那么这个发电系统在冬天或夏天气温差距很大的条件下，发电效率是否会大幅受到影响？这直接关系到这项技术的实际应用性。
范铃羚表示，通常情况下，气温如果太低，材料的发电效率确实会降低一些，但在这项研究中并没有观察到明显的降低，原因是通过真空装置和多层膜结构强化对流效应去克服，就目前整套系统来说，在我们能考虑到的温度区间内，发电的效果一般都没有特别大的变化
具体而言，我们常识里所谈论的气温是摄氏度（°C）单位，而热力学温标叫做开尔文（K），摄氏度以冰水混合物的温度为起点，开尔文则是以绝对零度作为计算起点，即 - 273.15℃=0K，因此，在换算上：[K, = [°C, + 273.15
重点来了，太空的 “温度” 一般被认为是 3K 微波背景辐射 (-270°C，接近绝对零度）。因此，外太空始终是一个非常低且持续稳定的“冷端”，而在地球上，零下或者零上三四十摄氏度可能已经逼近人类居住地的气温极限了，但这几十摄氏度的温差相对于太空 3K 的温度来讲，地球温度一直都是 230K 到 300K 左右的热端，用于制冷发电的热机两端的温差总是远远大于地表温度的波动，因此地球四季气温的变化，对这套夜间发电系统的性能而言影响并不是很大，完全可以通过材料或装置创新进行克服弥补。
这便是为什么说 “宇宙中的寒冷与黑暗可以用作可再生的热力学资源” 的缘由。
图｜地球的夜晚（来源：NASA）
印象比较深刻的 “尴尬” 事
关于这项研究的创新点和突破点，范铃羚对 DeepTech 表示，这套发电系统其实是做了一次系统性的优化，发电性能相比业界此前的研究提升了约 120 倍。而这种计算结果需要对多方面参数进行组合优化，例如对流系数、材料的消光系数、热电材料的转化效率以及内部能量消耗的控制等，研究人员优化了热电发电的每个步骤，然后进行组合试验寻求最优值。
除了上文提及创新设计了一种选择性 “发射器”，该“发射器” 连接在发电系统的冷端，大幅提升了辐射冷却过程，另外一个创新点就是在这次材料优化方面运用了机器学习的方法，来寻找最优材料组合，比如材料种类以及多层结构的厚度等，以产生最佳的共振效果。
尽管最终的研究结果还算令人满意，但这项研究让范铃羚印象最深刻的经历，却是一次“纰漏”。
“我最开始的时候对于热电知识了解其实比较有限，这项研究总共做了大概一年多，研究最开始我模拟出来一个性能非常好的发电功率，一般来说，大家对性能表现这么好的材料都会非常惊讶，但是我科研组内的老师包括比我年长的师兄们，他们说你应该忽略了一些内部能量损耗，然后我又重新来思考了这项研究。”
运用热电效应将温度差直接转换成电能，目前大致上转换效率约为 5%-8%，而此前参考的很多研究论文并未提及内部消耗的参数，因此在研究初期，范铃羚没有把消耗参数维度考虑在内。
“这件事让我得到了一个‘教训’，就是别人的论文里说明了一些东西，我们在新的实验情况下，需要重新去审视它，例如内部的损耗情况到底能不能忽略，不能全部就认为前人是对的。”范铃羚说。
这套发电系统也许还有更大的性能提升空间。范铃羚认为，如果能做 100 层的膜结构优化（本研究中是 7 层材料薄膜），得到的材料也许会更好。那样的话，可能会真正利用机器学习去计算大量材料参数组合对比，这次研究中其实并没有用到很复杂的具体算法，只是用了一些机器学习的思路，然后找到了一些团队认知范围内的理想材料。
这套夜间发电装置的未来比较依赖更好的材料发现，寻找更具性价比的材料来实现更好的性能，目前这项研究相当于是从 0~1 的突破，初步实现利用地球 “辐射冷却” 效应来在夜间高效发电。
图｜夜间最佳辐射冷却发电系统（来源：OpticsExpress ）
24 小时可持续发电的新思路
提到下一步研究，范铃羚的设想是把这套发电系统跟太阳能发电结合起来，然后做出一个 24 小时都能够发电的装置。这可能需要辐射冷却系统的热端和冷端进行自动的交替重置，好处是，这项发电技术不需要储能装置，可直接连接到普通 LED 灯乃至路灯提供电能。
另外，这项研究还探索了在不同热对流条件和 TEG 参数下，对发电系统的影响，从论文结论来看，降低冷端有效对流系数具有最大的改善系数，其次是增大热电优值（ZT）系数，然后增大热端对流系数，而改变 TEG 与辐射冷却器的面积比影响较小，证明这套系统可以实现接近卡诺热机设定的热力学极限的性能。
从应用层面来说，范铃羚表示，最大规模应用还是为居民日常照明供电提供新的可能，尤其是对于那些偏远农村或是比较落后的国家地区，当地没有发达完善的电网，也没条件建设太阳能、风能发电装置，这种低成本可持续的发电装置就能满足基本的照明需求；另一个主要的商业应用领域可能在工业界，比如很多移动通信基建中的低功耗传感器，该方式可作为一种低成本供能的补充方案。 |
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发表于 2020-8-27 07:16:35
