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[導(dǎo)讀] 當(dāng)太陽(yáng)落山，陽(yáng)光遠(yuǎn)離了太陽(yáng)能電池板，整個(gè)夜晚靠什么供給能源？最近，美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)研究人員提出了一種新設(shè)想：利用地球向太空發(fā)出的紅外熱輻射來(lái)發(fā)電。

夜幕下，捕獲“隱身”太陽(yáng)能

——物理學(xué)家提出從地球紅外輻射中獲取能量

本報(bào)記者 常麗君 綜合外電

當(dāng)太陽(yáng)落山，陽(yáng)光遠(yuǎn)離了太陽(yáng)能電池板，整個(gè)夜晚靠什么供給能源？電池還是老式柴油發(fā)電機(jī)？最近，美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）研究人員提出了一種新設(shè)想：利用地球向太空發(fā)出的紅外熱輻射來(lái)發(fā)電。

由于受到太陽(yáng)照射，地球比外層空間更溫暖。研究人員說(shuō)，利用目前的技術(shù)，已經(jīng)可以將熱量不平衡轉(zhuǎn)化為直流電，這在地球和外層空間之間也有可能實(shí)現(xiàn)，使地球的紅外熱輻射成為一個(gè)巨大的、從未利用過(guò)的能源寶庫(kù)。相關(guān)論文發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

“首先是怎么利用地球向太空輻射的紅外線來(lái)發(fā)電，這一點(diǎn)并不明顯?！惫鸫髮W(xué)羅伯特·華萊士應(yīng)用物理學(xué)教授費(fèi)德里科·卡帕索說(shuō)，“利用輻射發(fā)電而不是靠吸收光，這聽(tīng)起來(lái)似乎離奇。雖然違反直覺(jué)，但它在物理上是說(shuō)得通的。這是物理學(xué)在納米領(lǐng)域的全新應(yīng)用?！?/p>

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)新能源

當(dāng)熱從較熱物體傳到較冷物體時(shí)，能產(chǎn)生可再生能源。從溫暖的地表到寒冷的外太空，也存在這種熱傳遞，這就是紅外線輻射。地球以紅外輻射的形式向外釋放的能量達(dá)到100億兆瓦，這么巨大的能量一直被忽略。

“中紅外線在很大程度上被人們忽視了。即使在光譜學(xué)中，直到有了量子級(jí)聯(lián)激光器，人們還是認(rèn)為這一波段很難操作。但這是人們對(duì)它的成見(jiàn)?！笨ㄅ了髡f(shuō)。他們的最新研究表明，從地球發(fā)出的紅外輻射中捕獲能量是有可能的。

卡帕索是研究半導(dǎo)體物理學(xué)、光子學(xué)和固態(tài)電子學(xué)方面的專家。他在1994年共同發(fā)明了紅外量子級(jí)聯(lián)激光器，開(kāi)創(chuàng)了能帶工程研究領(lǐng)域，并證明了一種稱為“卡西米爾斥力”的量子電力學(xué)現(xiàn)象。

“陽(yáng)光是一種能源，所以光伏電池才有意義，你只需要收集能量。但事情并非那么簡(jiǎn)單，要捕獲紅外光的能量還很困難?！闭撐牡谝蛔髡?、SEAS博士后研究員斯蒂芬·伯恩斯說(shuō)，“用這種方法能發(fā)多少電并不明顯，是不是經(jīng)濟(jì)劃算值得研究，我們還必須坐下來(lái)仔細(xì)計(jì)算一番?！?/p>

發(fā)電雖少卻切實(shí)可用

伯恩斯指出：“比如把這種設(shè)備與太陽(yáng)能電池結(jié)合，就能在夜晚獲取額外的電力，而無(wú)需額外的裝置成本?！?/p>

為了證明紅外輻射發(fā)電的可行性，卡帕索小組提出了兩種不同的輻射能量收集器（EEH）：一種是熱EEH，類(lèi)似于太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)；而另一種是光電子EEH，就像光伏電池板。

第一種設(shè)備由“熱”板和“冷”板組成，“熱”板的溫度和地球及環(huán)境空氣溫度相同，“冷”板裝在“熱”板上，面朝上，由一種高輻射性材料制成，能把熱量高效地輻射向天空。研究人員在俄克拉荷馬州拉蒙特進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，根據(jù)計(jì)算，兩板間的熱量差每平方米在一晝夜能發(fā)出幾個(gè)瓦特的電。雖然要保持“冷”板溫度低于環(huán)境溫度還比較困難，但這種設(shè)備證明了溫差發(fā)電確實(shí)可行。

“這種方法比較直觀，我們正在把人們熟悉的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)原理和輻射制冷原理結(jié)合起來(lái)?！辈魉拐f(shuō)。

第二種設(shè)備的原理深入到電子行為的層面，就不那么直觀了。它是靠納米電子元件——二極管和天線之間的溫差來(lái)發(fā)電，這不是人們用手能感知的溫度?！叭绻阌袃蓚€(gè)溫度相同的元件，顯然不能做什么功；如果兩個(gè)元件溫度不同，就能做功了?！笨ㄅ了髡f(shuō)。它的工作原理類(lèi)似光電池，其核心是整流天線，利用吸收外界熱量后不同電子組件之間存在溫差來(lái)產(chǎn)生電流。

在論文中，研究人員設(shè)計(jì)了一種單體扁平設(shè)備，印上許多這種微電路而朝向天空，以此來(lái)發(fā)電。他們還指出，目前整流天線技術(shù)只能產(chǎn)生“可忽略的電力”，但技術(shù)的進(jìn)步可能會(huì)提高發(fā)電效率。

技術(shù)挑戰(zhàn)與未來(lái)前景

研究人員更看好第二種方案。光電子的方法雖然還很新，但根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，隨著等離子學(xué)、微電子學(xué)、新材料和納米制造方面的進(jìn)步，還是可行的。論文中還指出了今后研究中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來(lái)前景。

“人們研究紅外二極管至少已有50年了，還沒(méi)有大的進(jìn)步。最近在納米制造方面取得了一些進(jìn)展，讓人們能制造更好的、可升級(jí)而且可再生的納米材料?！辈魉拐f(shuō)，但即使用現(xiàn)在最好的紅外二極管，還是有問(wèn)題?！耙粋€(gè)單回路中流過(guò)的電量越多，當(dāng)你從紅外輻射中收集能量時(shí)，電壓就會(huì)相對(duì)越低。這也意味著，要制造高效的紅外二極管非常困難?！?/p>

包括伯恩斯在內(nèi)的工程師和物理學(xué)家，已經(jīng)在設(shè)想能在低電壓下工作的新型二極管，比如隧道二極管和彈道二極管。另一種方法是增加電路元件的阻抗，以此將電壓提高到更可行的水平。

伯恩斯還指出，速度是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)?！霸谔幚黼妷汉妥杩箚?wèn)題的同時(shí)，我們還要滿足速度要求。目前只有一種篩選出來(lái)的二極管，能在一秒鐘交替開(kāi)關(guān)30萬(wàn)億次，這是紅外信號(hào)所需要的頻率?！?/p>

研究人員在論文中指出：“今天的技術(shù)還不足以制造有效且成本劃算的光電輻射能收集器，但我們描述了一些可能在今后達(dá)到這一目標(biāo)的方式。我們希望能開(kāi)拓這個(gè)前沿領(lǐng)域，在可再生能源方面發(fā)揮輻射能收集器的作用?！?/p>