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夜幕下,捕获“隐身”太阳能

信息来源:nooeoo.com  时间:2014-04-01  浏览次数:380

    当太阳落山,阳光远离了太阳能电池板,整个夜晚靠什么供给能源?电池还是老式柴油发电机?最近,美国哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)研究人员提出了一种新设想:利用地球向太空发出的红外热辐射来发电。

  由于受到太阳照射,地球比外层空间更温暖。研究人员说,利用目前的技术,已经可以将热量不平衡转化为直流电,这在地球和外层空间之间也有可能实现,使地球的红外热辐射成为一个巨大的、从未利用过的能源宝库。相关论文发表在美国《国家科学院院刊》上。

  “首先是怎么利用地球向太空辐射的红外线来发电,这一点并不明显。”哈佛大学罗伯特·华莱士应用物理学教授费德里科·卡帕索说,“利用辐射发电而不是靠吸收光,这听起来似乎离奇。虽然违反直觉,但它在物理上是说得通的。这是物理学在纳米领域的全新应用。”

  挑战传统开发新能源

  当热从较热物体传到较冷物体时,能产生可再生能源。从温暖的地表到寒冷的外太空,也存在这种热传递,这就是红外线辐射。地球以红外辐射的形式向外释放的能量达到100亿兆瓦,这么巨大的能量一直被忽略。

  “中红外线在很大程度上被人们忽视了。即使在光谱学中,直到有了量子级联激光器,人们还是认为这一波段很难操作。但这是人们对它的成见。”卡帕索说。他们的最新研究表明,从地球发出的红外辐射中捕获能量是有可能的。

  卡帕索是研究半导体物理学、光子学和固态电子学方面的专家。他在1994年共同发明了红外量子级联激光器,开创了能带工程研究领域,并证明了一种称为“卡西米尔斥力”的量子电力学现象。

  “阳光是一种能源,所以光伏电池才有意义,你只需要收集能量。但事情并非那么简单,要捕获红外光的能量还很困难。”论文第一作者、SEAS博士后研究员斯蒂芬·伯恩斯说,“用这种方法能发多少电并不明显,是不是经济划算值得研究,我们还必须坐下来仔细计算一番。”

  发电虽少却切实可用

  伯恩斯指出:“比如把这种设备与太阳能电池结合,就能在夜晚获取额外的电力,而无需额外的装置成本。”

  为了证明红外辐射发电的可行性,卡帕索小组提出了两种不同的辐射能量收集器(EEH):一种是热EEH,类似于太阳能热发电机;而另一种是光电子EEH,就像光伏电池板。

  第一种设备由“热”板和“冷”板组成,“热”板的温度和地球及环境空气温度相同,“冷”板装在“热”板上,面朝上,由一种高辐射性材料制成,能把热量高效地辐射向天空。研究人员在俄克拉荷马州拉蒙特进行了实验测量,根据计算,两板间的热量差每平方米在一昼夜能发出几个瓦特的电。虽然要保持“冷”板温度低于环境温度还比较困难,但这种设备证明了温差发电确实可行。

  “这种方法比较直观,我们正在把人们熟悉的热力发动机原理和辐射制冷原理结合起来。”伯恩斯说。

  第二种设备的原理深入到电子行为的层面,就不那么直观了。它是靠纳米电子元件——二极管和天线之间的温差来发电,这不是人们用手能感知的温度。“如果你有两个温度相同的元件,显然不能做什么功;如果两个元件温度不同,就能做功了。”卡帕索说。它的工作原理类似光电池,其核心是整流天线,利用吸收外界热量后不同电子组件之间存在温差来产生电流。

  在论文中,研究人员设计了一种单体扁平设备,印上许多这种微电路而朝向天空,以此来发电。他们还指出,目前整流天线技术只能产生“可忽略的电力”,但技术的进步可能会提高发电效率。

  技术挑战与未来前景

  研究人员更看好第二种方案。光电子的方法虽然还很新,但根据目前的技术发展趋势,随着等离子学、微电子学、新材料和纳米制造方面的进步,还是可行的。论文中还指出了今后研究中面临的技术挑战和未来前景。

  “人们研究红外二极管至少已有50年了,还没有大的进步。最近在纳米制造方面取得了一些进展,让人们能制造更好的、可升级而且可再生的纳米材料。”伯恩斯说,但即使用现在最好的红外二极管,还是有问题。“一个单回路中流过的电量越多,当你从红外辐射中收集能量时,电压就会相对越低。这也意味着,要制造高效的红外二极管非常困难。”

  包括伯恩斯在内的工程师和物理学家,已经在设想能在低电压下工作的新型二极管,比如隧道二极管和弹道二极管。另一种方法是增加电路元件的阻抗,以此将电压提高到更可行的水平。

  伯恩斯还指出,速度是另一项挑战。“在处理电压和阻抗问题的同时,我们还要满足速度要求。目前只有一种筛选出来的二极管,能在一秒钟交替开关30万亿次,这是红外信号所需要的频率。”

  研究人员在论文中指出:“今天的技术还不足以制造有效且成本划算的光电辐射能收集器,但我们描述了一些可能在今后达到这一目标的方式。我们希望能开拓这个前沿领域,在可再生能源方面发挥辐射能收集器的作用。”

 

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