利用太陽(yáng)能、風(fēng)能乃至地?zé)崮艿瓤沙掷m(xù)能源發(fā)電，如今早已不是什么新鮮事，但是通常也會(huì)面臨一些明顯的短板問(wèn)題，例如，太陽(yáng)能在夜間就沒(méi)辦法發(fā)電。

而一般來(lái)講，夜間才是人們用電的高峰期，那有沒(méi)有一種可以全球普適的、相對(duì)廉價(jià)的新發(fā)電方式，利用地球夜間的某種能量就能發(fā)電？這并不是異想天開(kāi)，來(lái)自斯坦福大學(xué)的一個(gè)華人研究小組就實(shí)現(xiàn)了這種想法。

研究人員提出了一種利用地球 “輻射冷卻” 效應(yīng)的高效發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用輻射制冷的原理，將熱量投射到寒冷的宇宙中，再與熱電技術(shù)相結(jié)合，在無(wú)法獲得太陽(yáng)能的夜間發(fā)出電來(lái)。

通過(guò)多層材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，研究人員使用熱電發(fā)生器 (TEG) 可以實(shí)現(xiàn)每平米超過(guò) 2W 乃至 3W 左右的功率密度，這比此前業(yè)界報(bào)道的相同原理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，是該領(lǐng)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(xù)供電。

當(dāng)然，這一數(shù)據(jù)與太陽(yáng)能每平米 180W 左右的功率密度相差很大，意味著相關(guān)研究未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景，更可能是太陽(yáng)能之外的一種可再生能源補(bǔ)充。

該研究日前發(fā)表在美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）的《光學(xué)快報(bào)》（Optics Express）上，使低成本高效率的夜間發(fā)電技術(shù)成為可能，論文的第一作者范鈴羚是南京大學(xué)物理系畢業(yè)生，2018 年入學(xué)斯坦福大學(xué)攻讀博士，今年 23 歲，師從華裔科學(xué)家、斯坦福大學(xué)電子工程教授范汕洄，所在的研究小組涉及等離激元學(xué)、超材料、硅光子學(xué)、光伏、量子光學(xué)和計(jì)算電磁學(xué)等多項(xiàng)交叉的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究。

何以夜間持續(xù)發(fā)電？

想必很多人都比較好奇，這種利用 “輻射冷卻” 來(lái)發(fā)電的技術(shù)原理是怎樣的？范鈴羚對(duì) DeepTech 解釋說(shuō)：“通俗來(lái)講，這套系統(tǒng)利用的是一種熱量的‘定向流動(dòng)’，把溫差轉(zhuǎn)化成電能?！?/p>

這里有一個(gè)概念叫輻射制冷，是指物件透過(guò)輻射散去熱能的過(guò)程。在氣象學(xué)上，地球表面所吸收的太陽(yáng)熱能到了夜晚會(huì)向天空發(fā)射出長(zhǎng)波輻射，進(jìn)而地表的溫度會(huì)快速冷卻，產(chǎn)生所謂的“輻射冷卻效應(yīng)”。

利用這樣的原理，這套夜間發(fā)電系統(tǒng)的能量 “進(jìn)口” 是來(lái)自于地球夜間的大氣，比如夏天氣溫可以達(dá)到三十八九度，通過(guò)熱端材料能夠給這個(gè)系統(tǒng)輸入能量，而冷端的輸出就是如何把能量最高效地發(fā)射到外太空。

范鈴羚表示，這里的關(guān)鍵是通過(guò)一些材料的設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了選擇性消光，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把熱端的能量集中在一些特定的波段和角度進(jìn)行發(fā)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(fā)射到外太空去。

于是在系統(tǒng)的熱端 - 冷端之間，就出現(xiàn)了一個(gè)非常恒定的溫度差。得益于材料和裝置創(chuàng)新，這套系統(tǒng)能夠把熱量盡可能多地輸入進(jìn)來(lái)，也能夠把熱量最大化地發(fā)射到外空去，然后就有了熱量的流動(dòng)，在進(jìn)和出這兩端就形成溫差，有了溫差就能通過(guò)材料內(nèi)部的熱電轉(zhuǎn)化部件利用塞貝克效應(yīng)（也稱(chēng)第一熱電效應(yīng)），直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

熱電轉(zhuǎn)化部件具有體積小、無(wú)噪聲、可靠性高等特點(diǎn)，被業(yè)界認(rèn)為是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，而現(xiàn)在與輻射冷卻技術(shù)的結(jié)合碰撞，激發(fā)了更多的科研思路，讓一些看似不可能的事情正在發(fā)生。

完全沒(méi)有其他的能源消耗，就能夠利用溫差可持續(xù)產(chǎn)生電，是不是有點(diǎn)兒不可思議？范鈴羚介紹，這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)其實(shí)是在導(dǎo)師此前的研究成果上的一種延展。

范汕洄團(tuán)隊(duì)早在 2013 年提出了一種 “輻射制冷” 技術(shù)，2014 年曾發(fā)表在《自然》上，在雜志封面也曾被提及，那是一種無(wú)需任何電力輸入即可進(jìn)行冷卻的被動(dòng)制冷策略，研究人員發(fā)明了一種集成光子太陽(yáng)反射器和熱發(fā)射體組成的 7 層材料薄膜，把這種薄膜置于建筑物屋頂，就能讓建筑物內(nèi)部的熱輻射遠(yuǎn)紅外光（8-13 微米）散發(fā)出去，同時(shí)還能反射外部太陽(yáng)光，實(shí)驗(yàn)證明，在直射陽(yáng)光下，輻射冷卻材料能實(shí)現(xiàn)低于周?chē)諝鉁囟冉?5 攝氏度的效果。

回顧當(dāng)時(shí)的論文，其實(shí)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(xué)資源。

這句話可以解釋接下來(lái)的另一個(gè)重要疑惑：既然是利用所謂的 “溫差” 來(lái)夜間發(fā)電，那么這個(gè)發(fā)電系統(tǒng)在冬天或夏天氣溫差距很大的條件下，發(fā)電效率是否會(huì)大幅受到影響？這直接關(guān)系到這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用性。

范鈴羚表示，通常情況下，氣溫如果太低，材料的發(fā)電效率確實(shí)會(huì)降低一些，但在這項(xiàng)研究中并沒(méi)有觀察到明顯的降低，原因是通過(guò)真空裝置和多層膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)化對(duì)流效應(yīng)去克服，就目前整套系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在我們能考慮到的溫度區(qū)間內(nèi)，發(fā)電的效果一般都沒(méi)有特別大的變化。

具體而言，我們常識(shí)里所談?wù)摰臍鉁厥菙z氏度（°C）單位，而熱力學(xué)溫標(biāo)叫做開(kāi)爾文（K），攝氏度以冰水混合物的溫度為起點(diǎn)，開(kāi)爾文則是以絕對(duì)零度作為計(jì)算起點(diǎn)，即 - 273.15℃=0K，因此，在換算上：[K] = [°C] + 273.15

重點(diǎn)來(lái)了，太空的 “溫度” 一般被認(rèn)為是 3K 微波背景輻射 (-270°C，接近絕對(duì)零度）。因此，外太空始終是一個(gè)非常低且持續(xù)穩(wěn)定的“冷端”，而在地球上，零下或者零上三四十?dāng)z氏度可能已經(jīng)逼近人類(lèi)居住地的氣溫極限了，但這幾十?dāng)z氏度的溫差相對(duì)于太空 3K 的溫度來(lái)講，地球溫度一直都是 230K 到 300K 左右的熱端，用于制冷發(fā)電的熱機(jī)兩端的溫差總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地表溫度的波動(dòng)，因此地球四季氣溫的變化，對(duì)這套夜間發(fā)電系統(tǒng)的性能而言影響并不是很大，完全可以通過(guò)材料或裝置創(chuàng)新進(jìn)行克服彌補(bǔ)。

這便是為什么說(shuō) “宇宙中的寒冷與黑暗可以用作可再生的熱力學(xué)資源” 的緣由。

關(guān)于這項(xiàng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)和突破點(diǎn)，范鈴羚對(duì) DeepTech 表示，這套發(fā)電系統(tǒng)其實(shí)是做了一次系統(tǒng)性的優(yōu)化，發(fā)電性能相比業(yè)界此前的研究提升了約 120 倍。而這種計(jì)算結(jié)果需要對(duì)多方面參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化，例如對(duì)流系數(shù)、材料的消光系數(shù)、熱電材料的轉(zhuǎn)化效率以及內(nèi)部能量消耗的控制等，研究人員優(yōu)化了熱電發(fā)電的每個(gè)步驟，然后進(jìn)行組合試驗(yàn)尋求最優(yōu)值。

除了上文提及創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種選擇性 “發(fā)射器”，該“發(fā)射器” 連接在發(fā)電系統(tǒng)的冷端，大幅提升了輻射冷卻過(guò)程，另外一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就是在這次材料優(yōu)化方面運(yùn)用了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，來(lái)尋找最優(yōu)材料組合，比如材料種類(lèi)以及多層結(jié)構(gòu)的厚度等，以產(chǎn)生最佳的共振效果。

盡管最終的研究結(jié)果還算令人滿意，但這項(xiàng)研究讓范鈴羚印象最深刻的經(jīng)歷，卻是一次“紕漏”。

“我最開(kāi)始的時(shí)候?qū)τ跓犭娭R(shí)了解其實(shí)比較有限，這項(xiàng)研究總共做了大概一年多，研究最開(kāi)始我模擬出來(lái)一個(gè)性能非常好的發(fā)電功率，一般來(lái)說(shuō)，大家對(duì)性能表現(xiàn)這么好的材料都會(huì)非常驚訝，但是我科研組內(nèi)的老師包括比我年長(zhǎng)的師兄們，他們說(shuō)你應(yīng)該忽略了一些內(nèi)部能量損耗，然后我又重新來(lái)思考了這項(xiàng)研究?！?/p>

運(yùn)用熱電效應(yīng)將溫度差直接轉(zhuǎn)換成電能，目前大致上轉(zhuǎn)換效率約為 5%-8%，而此前參考的很多研究論文并未提及內(nèi)部消耗的參數(shù)，因此在研究初期，范鈴羚沒(méi)有把消耗參數(shù)維度考慮在內(nèi)。

“這件事讓我得到了一個(gè)‘教訓(xùn)’，就是別人的論文里說(shuō)明了一些東西，我們?cè)谛碌膶?shí)驗(yàn)情況下，需要重新去審視它，例如內(nèi)部的損耗情況到底能不能忽略，不能全部就認(rèn)為前人是對(duì)的?！狈垛徚缯f(shuō)。

這套發(fā)電系統(tǒng)也許還有更大的性能提升空間。范鈴羚認(rèn)為，如果能做 100 層的膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化（本研究中是 7 層材料薄膜），得到的材料也許會(huì)更好。那樣的話，可能會(huì)真正利用機(jī)器學(xué)習(xí)去計(jì)算大量材料參數(shù)組合對(duì)比，這次研究中其實(shí)并沒(méi)有用到很復(fù)雜的具體算法，只是用了一些機(jī)器學(xué)習(xí)的思路，然后找到了一些團(tuán)隊(duì)認(rèn)知范圍內(nèi)的理想材料。

這套夜間發(fā)電裝置的未來(lái)比較依賴(lài)更好的材料發(fā)現(xiàn)，尋找更具性?xún)r(jià)比的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的性能，目前這項(xiàng)研究相當(dāng)于是從 0~1 的突破，初步實(shí)現(xiàn)利用地球 “輻射冷卻” 效應(yīng)來(lái)在夜間高效發(fā)電。

圖｜夜間最佳輻射冷卻發(fā)電系統(tǒng)（來(lái)源：OpticsExpress ）

24 小時(shí)可持續(xù)發(fā)電的新思路

提到下一步研究，范鈴羚的設(shè)想是把這套發(fā)電系統(tǒng)跟太陽(yáng)能發(fā)電結(jié)合起來(lái)，然后做出一個(gè) 24 小時(shí)都能夠發(fā)電的裝置。這可能需要輻射冷卻系統(tǒng)的熱端和冷端進(jìn)行自動(dòng)的交替重置，好處是，這項(xiàng)發(fā)電技術(shù)不需要儲(chǔ)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(xiàng)研究還探索了在不同熱對(duì)流條件和 TEG 參數(shù)下，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響，從論文結(jié)論來(lái)看，降低冷端有效對(duì)流系數(shù)具有最大的改善系數(shù)，其次是增大熱電優(yōu)值（ZT）系數(shù)，然后增大熱端對(duì)流系數(shù)，而改變 TEG 與輻射冷卻器的面積比影響較小，證明這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)接近卡諾熱機(jī)設(shè)定的熱力學(xué)極限的性能。

從應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，范鈴羚表示，最大規(guī)模應(yīng)用還是為居民日常照明供電提供新的可能，尤其是對(duì)于那些偏遠(yuǎn)農(nóng)村或是比較落后的國(guó)家地區(qū)，當(dāng)?shù)貨](méi)有發(fā)達(dá)完善的電網(wǎng)，也沒(méi)條件建設(shè)太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電裝置，這種低成本可持續(xù)的發(fā)電裝置就能滿足基本的照明需求；另一個(gè)主要的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域可能在工業(yè)界，比如很多移動(dòng)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(bǔ)充方案。