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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( 二 )


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 。
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
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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 。
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
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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 。 ”


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