美物理学家提出利用地球红外辐射发电
来源：科技日报 | 0评论 | 5571查看 | 2014-04-01 17:45:00
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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