23歲中國博士生創造“輻射冷卻”發電新紀錄，性能提升120倍！
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。
圖｜“輻射冷卻”發電的原理細節（來源：Optics Express）
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。
圖｜地球的夜晚（來源：NASA）
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。
圖｜夜間最佳輻射冷卻發電系統（來源：OpticsExpress ）
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。