利用地球的红外辐射来发电

作者:浮夸的晓编 分类:探索 发布于:2014-3-9
  地球以红外线辐射(热辐射)的形式源源不断地将从太阳吸收的能量释放到太空中。哈佛大学工程与应用科学学院的物理学家设想了一种设备,可以通过利用这种热辐射来发电。研究者对于这一设想的热动力学、可行性和技术要求的相关分析将于本周发表在《国家科学院院刊》上。

  由于太阳辐射的作用,我们的地球比寒冷的外太空要温暖得多。研究者认为,以当前的科技发展水平,不久的将来我们就可以将这种热不平衡转化为直流电了。

  应用物理学教授、哈佛大学工程与应用科学学院电气工程领域高级研究员费德里科·卡帕索(Federico Capasso)表示:“期初这一设想并不十分清晰。如何才能利用向寒冷太空中辐射的红外线来发电呢?‘通过发出光线而不是吸收光线来发电’是一个乍一听十分奇怪的想法。但是从物理学的角度来看,这是有可能的。这一设想是物理学在纳米尺寸上的的全新应用。”

  挑战常规

  卡帕索和他的研究团队提出的这一新设想类似于光电太阳能板。区别在于现在的太阳能板通过吸收可见光来发电,而卡帕索提出的设备则是通过发射红外光来发电。

  哈佛大学工程与应用科学学院的博士后研究员史蒂文·伯恩(Steven J.Byrnes)指出:“太阳光蕴含能量,我们把这些能量收集起来,于是就有了太阳能电池。但事实上并没有这么简单。而通过发射红外光发电就更反直觉了。除非你进行一番数学计算,否则你永远不清楚这种方法究竟能产生多少电能或者是否有应用前景。”

  结果证明,这种设备产生的电能虽然并不可观,但是值得一试。

  伯恩认为:“这种新设备可以和传统的太阳能电池组合起来,这样既可以在夜晚产生电能,又无需额外的安装费用。”

  一大一小,两种设备

  为了研究这一设想的可行性,卡帕索的研究团队设计了两种设备:一种类似于太阳能发电机,另一种则类似于光电池。

  第一种设备由两块板组成。其中一块“热板”的温度和地球温度一样,放在下面;另一块“冷板”正面向上,放在“热板”上面。“冷板”由一种热辐射速率很大的材料制成,通过向空中快速辐射热量降低自身温度。基于先前测量的红外线辐射数据,研究者通过计算发现,经过一昼夜,两块板之间的温差能产生每平方米若干瓦特的发电功率。虽然让“冷板”始终保持低于环境温度很难,不过这一设备揭示了一个普遍的原理:温差确实能发电。

  伯恩说:“通过这种方法发电是符合我们通常的认知的,因为其原理就是把我们熟悉的热机和辐射制冷相结合。”

  第二种设备依赖于纳米级电子元件——二极管和天线之间的温差。这种温差与我们能够感觉的温度变化完全不同。

  电路中的电子元件会自发地产生正负双向的电流,这就是电子噪声的成因。之前的研究发现,如果二极管的温度高于电阻的温度,此时二极管就会使电流变成单向,形成正电压。卡帕索的研究团队认为,如果用一种显微级的、能够将地球红外辐射扩散到空中、并且只把流经它的电子降温的天线,取代上述发现中的电阻,这样就得到了直接由热辐射过程产生的电流,而且还绕过了给设备降温这一步。

  挑战和前景

  卡帕索提出的这一设想看起似乎过于超前,不过以目前的技术来看,倒并非遥不可及——现在的研究在等离子体、小型电子产品、新材料(比如石墨烯)和纳米加工领域都取得了巨大的进步。而哈佛的研究团队认为,他们研究的优势恰恰在于,他们知道实现这一设想所面临的技术挑战究竟是什么。

  目前最好的红外线二极管仍然存在一个问题。伯恩解释道:“电路中的电流越大,电子元件的工作状态约好。现在通过发射红外光发电只能产生很微弱的电流,这就意味着整个发电装置的工作状态并不是很好。”

  工程师与物理学家现在已经开始考虑采用能够在低电压条件下稳定工作的二极管,例如隧道二极管和弹道二极管。另外一种解决方法是提高电路中电子元件的阻抗,以提高整个电路的电压。

  伯恩预测,要想解决目前的问题,可能需要结合这两种方法。

  科学家面临的另一个挑战是开关速度。伯恩表示:“只有特定的一些二极管的开关速度能到达每秒30万亿次。只有达到这个速度才能产生红外信号。我们需要在解决电压和阻抗问题的同时,满足二极管的开关速度要求。”

  “不过现在我们已经知道了设备面临的问题和需要达到的技术参数,剩下的就是从工程学士寻求解决方法。”伯恩说。