楠木軒

利用夜空也能高效發電!23歲中國博士生創造“輻射冷卻”發電新紀錄,性能提升120倍

由 回秀蘭 發佈於 科技

利用太陽能、風能乃至地熱能等可持續能源發電,如今早已不是什麼新鮮事,但是通常也會面臨一些明顯的短板問題,例如,太陽能在夜間就沒辦法發電。

而一般來講,夜間才是人們用電的高峯期,那有沒有一種可以全球普適的、相對廉價的新發電方式,利用地球夜間的某種能量就能發電?這並不是異想天開,來自斯坦福大學的一個華人研究小組就實現了這種想法。

研究人員提出了一種利用地球 “輻射冷卻” 效應的高效發電系統,該系統利用輻射製冷的原理,將熱量投射到寒冷的宇宙中,再與熱電技術相結合,在無法獲得太陽能的夜間發出電來。

通過多層材料和結構的創新,研究人員使用熱電發生器 (TEG) 可以實現每平米超過 2W 乃至 3W 左右的功率密度,這比此前業界報道的相同原理的實驗結果高出兩個數量級,是該領域的巨大突破,足以為一些 LED 照明器件、模塊化傳感器等持續供電。

當然,這一數據與太陽能每平米 180W 左右的功率密度相差很大,意味着相關研究未來的應用場景,更可能是太陽能之外的一種可再生能源補充。

圖|一種離網低成本的模塊化發電裝置,利用輻射冷卻有效地為夜間照明提供電能(來源:範鈴羚)

該研究日前發表在美國光學協會(OSA)的《光學快報》(Optics Express)上,使低成本高效率的夜間發電技術成為可能,論文的第一作者範鈴羚是南京大學物理系畢業生,2018 年入學斯坦福大學攻讀博士,今年 23 歲,師從華裔科學家、斯坦福大學電子工程教授範汕洄,所在的研究小組涉及等離激元學、超材料、硅光子學、光伏、量子光學和計算電磁學等多項交叉的基礎科學和應用研究。

何以夜間持續發電?

想必很多人都比較好奇,這種利用 “輻射冷卻” 來發電的技術原理是怎樣的?範鈴羚對 DeepTech 解釋説:“通俗來講,這套系統利用的是一種熱量的‘定向流動’,把温差轉化成電能。

這裏有一個概念叫輻射製冷,是指物件透過輻射散去熱能的過程。在氣象學上,地球表面所吸收的太陽熱能到了夜晚會向天空發射出長波輻射,進而地表的温度會快速冷卻,產生所謂的“輻射冷卻效應”。

利用這樣的原理,這套夜間發電系統的能量 “進口” 是來自於地球夜間的大氣,比如夏天氣温可以達到三十八九度,通過熱端材料能夠給這個系統輸入能量,而冷端的輸出就是如何把能量最高效地發射到外太空。

範鈴羚表示,這裏的關鍵是通過一些材料的設計創新實現了選擇性消光,簡單來説,就是把熱端的能量集中在一些特定的波段和角度進行發射,這樣就能克服大氣層的吸收以及一些其他的消耗,把能量最高效地發射到外太空去。

於是在系統的熱端 - 冷端之間,就出現了一個非常恆定的温度差。得益於材料和裝置創新,這套系統能夠把熱量儘可能多地輸入進來,也能夠把熱量最大化地發射到外空去,然後就有了熱量的流動,在進和出這兩端就形成温差,有了温差就能通過材料內部的熱電轉化部件利用塞貝克效應(也稱第一熱電效應),直接將熱能轉化為電能。

熱電轉化部件具有體積小、無噪聲、可靠性高等特點,被業界認為是一種綠色環保的發電方式,而現在與輻射冷卻技術的結合碰撞,激發了更多的科研思路,讓一些看似不可能的事情正在發生。

完全沒有其他的能源消耗,就能夠利用温差可持續產生電,是不是有點兒不可思議?範鈴羚介紹,這項研究的基礎其實是在導師此前的研究成果上的一種延展。

範汕洄團隊早在 2013 年提出了一種 “輻射製冷” 技術,2014 年曾發表在《自然》上,在雜誌封面也曾被提及,那是一種無需任何電力輸入即可進行冷卻的被動製冷策略,研究人員發明了一種集成光子太陽反射器和熱發射體組成的 7 層材料薄膜,把這種薄膜置於建築物屋頂,就能讓建築物內部的熱輻射遠紅外光(8-13 微米)散發出去,同時還能反射外部太陽光,實驗證明,在直射陽光下,輻射冷卻材料能實現低於周圍空氣温度近 5 攝氏度的效果。

圖|範汕洄團隊的研究 2013 年被《自然》雜誌在封面推薦(來源:Nature)

回顧當時的論文,其實有一句話非常有趣:宇宙中的寒冷與黑暗可以用作可再生的熱力學資源。

這句話可以解釋接下來的另一個重要疑惑:既然是利用所謂的 “温差” 來夜間發電,那麼這個發電系統在冬天或夏天氣温差距很大的條件下,發電效率是否會大幅受到影響?這直接關係到這項技術的實際應用性。

範鈴羚表示,通常情況下,氣温如果太低,材料的發電效率確實會降低一些,但在這項研究中並沒有觀察到明顯的降低,原因是通過真空裝置和多層膜結構強化對流效應去克服,就目前整套系統來説,在我們能考慮到的温度區間內,發電的效果一般都沒有特別大的變化。

具體而言,我們常識裏所談論的氣温是攝氏度(°C)單位,而熱力學温標叫做開爾文(K),攝氏度以冰水混合物的温度為起點,開爾文則是以絕對零度作為計算起點,即 - 273.15℃=0K,因此,在換算上:[K] = [°C] + 273.15

重點來了,太空的 “温度” 一般被認為是 3K 微波背景輻射 (-270°C,接近絕對零度)。因此,外太空始終是一個非常低且持續穩定的“冷端”,而在地球上,零下或者零上三四十攝氏度可能已經逼近人類居住地的氣温極限了,但這幾十攝氏度的温差相對於太空 3K 的温度來講,地球温度一直都是 230K 到 300K 左右的熱端,用於製冷發電的熱機兩端的温差總是遠遠大於地表温度的波動,因此地球四季氣温的變化,對這套夜間發電系統的性能而言影響並不是很大,完全可以通過材料或裝置創新進行克服彌補。

這便是為什麼説 “宇宙中的寒冷與黑暗可以用作可再生的熱力學資源” 的緣由。

印象比較深刻的 “尷尬” 事

關於這項研究的創新點和突破點,範鈴羚對 DeepTech 表示,這套發電系統其實是做了一次系統性的優化,發電性能相比業界此前的研究提升了約 120 倍。而這種計算結果需要對多方面參數進行組合優化,例如對流係數、材料的消光係數、熱電材料的轉化效率以及內部能量消耗的控制等,研究人員優化了熱電發電的每個步驟,然後進行組合試驗尋求最優值。

除了上文提及創新設計了一種選擇性 “發射器”,該“發射器” 連接在發電系統的冷端,大幅提升了輻射冷卻過程,另外一個創新點就是在這次材料優化方面運用了機器學習的方法,來尋找最優材料組合,比如材料種類以及多層結構的厚度等,以產生最佳的共振效果。

儘管最終的研究結果還算令人滿意,但這項研究讓範鈴羚印象最深刻的經歷,卻是一次“紕漏”。

“我最開始的時候對於熱電知識瞭解其實比較有限,這項研究總共做了大概一年多,研究最開始我模擬出來一個性能非常好的發電功率,一般來説,大家對性能表現這麼好的材料都會非常驚訝,但是我科研組內的老師包括比我年長的師兄們,他們説你應該忽略了一些內部能量損耗,然後我又重新來思考了這項研究。”

運用熱電效應將温度差直接轉換成電能,目前大致上轉換效率約為 5%-8%,而此前參考的很多研究論文並未提及內部消耗的參數,因此在研究初期,範鈴羚沒有把消耗參數維度考慮在內。

“這件事讓我得到了一個‘教訓’,就是別人的論文裏説明了一些東西,我們在新的實驗情況下,需要重新去審視它,例如內部的損耗情況到底能不能忽略,不能全部就認為前人是對的。”範鈴羚説。

這套發電系統也許還有更大的性能提升空間。範鈴羚認為,如果能做 100 層的膜結構優化(本研究中是 7 層材料薄膜),得到的材料也許會更好。那樣的話,可能會真正利用機器學習去計算大量材料參數組合對比,這次研究中其實並沒有用到很複雜的具體算法,只是用了一些機器學習的思路,然後找到了一些團隊認知範圍內的理想材料。

這套夜間發電裝置的未來比較依賴更好的材料發現,尋找更具性價比的材料來實現更好的性能,目前這項研究相當於是從 0~1 的突破,初步實現利用地球 “輻射冷卻” 效應來在夜間高效發電。

24 小時可持續發電的新思路

提到下一步研究,範鈴羚的設想是把這套發電系統跟太陽能發電結合起來,然後做出一個 24 小時都能夠發電的裝置。這可能需要輻射冷卻系統的熱端和冷端進行自動的交替重置,好處是,這項發電技術不需要儲能裝置,可直接連接到普通 LED 燈乃至路燈提供電能。

另外,這項研究還探索了在不同熱對流條件和 TEG 參數下,對發電系統的影響,從論文結論來看,降低冷端有效對流係數具有最大的改善係數,其次是增大熱電優值(ZT)係數,然後增大熱端對流係數,而改變 TEG 與輻射冷卻器的面積比影響較小,證明這套系統可以實現接近卡諾熱機設定的熱力學極限的性能。

從應用層面來説,範鈴羚表示,最大規模應用還是為居民日常照明供電提供新的可能,尤其是對於那些偏遠農村或是比較落後的國家地區,當地沒有發達完善的電網,也沒條件建設太陽能、風能發電裝置,這種低成本可持續的發電裝置就能滿足基本的照明需求;另一個主要的商業應用領域可能在工業界,比如很多移動通信基建中的低功耗傳感器,該方式可作為一種低成本供能的補充方案。

(楊立中對本文亦有貢獻)

【來源:DeepTech深科技】

聲明:轉載此文是出於傳遞更多信息之目的。若有來源標註錯誤或侵犯了您的合法權益,請作者持權屬證明與本網聯繫,我們將及時更正、刪除,謝謝。 郵箱地址:newmedia@xxcb.cn