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DeepTech深科技|23岁中国博士生创造“辐射冷却”发电新纪录，性能提升120倍


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 。
DeepTech深科技|23岁中国博士生创造“辐射冷却”发电新纪录，性能提升120倍
本文插图

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 。
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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 。


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