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利用地球夜间某种能量就能发电?“辐射冷却”发电新纪录!

辐射冷却系统
发布:2020-09-17 15:24:07     来源:搜狐新闻

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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