近期，美國光學協會的《光學快報》發表了南京大學物理系畢業生、正在美國史丹福大學攻讀博士的範鈴羚的研究成果。範鈴羚及其研究團隊利用「輻射製冷」的原理，提出了一種高效發電系統，這套系統可以實現每平米超過2W至3W左右的功率密度，比此前業界報導的相同原理的實驗結果高出兩個數量級，是該領域的巨大突破。目前，該系統足以為一些LED照明器件、模塊化傳感器等持續供電。未來，該技術或可與太陽能發電相結合，為諸如移動通信基站、衛星等設備的低功耗傳感器24小時提供電能。
一、「輻射製冷」技術基本原理
根據經典熱輻射理論，一切溫度高於絕對零度的物體都會以電磁波的形式向外發射能量，通過與高溫熱源或低溫冷源間輻射換熱，物體可以獲得熱量或者冷量。由於外太空的背景溫度接近絕對零度，約為2.7K，是一個巨大的冷源，而地球表面溫度約300K，它們之間巨大的溫差在使地球表面冷卻的同時，這種熱量的「定向流動」也可產生電量，為人所用。
「輻射製冷」指物件透過輻射散去熱能的過程，「輻射製冷」發電利用了塞貝克效應（又稱第一熱電效應，指由於兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象）。塞貝克效應的成因可以解釋為在溫度梯度下導體內的載流子從熱端向冷端運動，並在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢。半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。
「輻射製冷」 原理圖 來源：Optics Express
二、範鈴羚團隊「輻射製冷」發電取得突破
範鈴羚團隊在「輻射製冷」發電方面取得突破，其基礎是範鈴羚的導師範汕洄此前的研究成果。範汕洄團隊於2013年提出了一種「輻射製冷」技術，這是一種無需任何電力輸入即可進行冷卻的被動製冷策略。研究人員發明了一種集成光子太陽反射器和熱發射體組成的7層材料薄膜，把這種薄膜置於建築物屋頂，就能讓建築物內部的熱輻射遠紅外光（8-13微米）散發出去，同時還能反射外部太陽光。實驗證明，在直射陽光下，輻射冷卻材料能實現低於周圍空氣溫度近5攝氏度的效果。
範鈴羚的「輻射製冷」發電成果是在範汕洄研究基礎上的延展。範鈴羚團隊通過多層材料和結構的創新，使得熱電發生系統能夠把熱量儘可能多地輸入進來，也能夠把熱量最大化地發射到外空，這之中的關鍵是通過一些材料的設計創新實現了選擇性消光，即把熱端的能量集中在一些特定的波段和角度進行發射，從而克服大氣層的吸收以及一些其他的消耗，把能量最高效地發射到外太空去。藉助熱量的流動，熱電發生系統的冷熱兩端形成了溫差，內部材料的熱電轉化部件利用塞貝克效應即將熱能轉化為電能。
這套熱電發生系統轉換效率約為5%-8%，實現了每平米超過2W至3W左右的功率密度，足以為一些LED照明器件、模塊化傳感器等持續供電，這一數值比此前業界報導的相同原理的實驗結果高出兩個數量級，是該領域的巨大突破。
範鈴羚 「輻射製冷」 發電原理 來源：範鈴羚
三、溫差發電已有應用，「輻射製冷」發電技術將進一步擴展其應用範圍
（一）與太陽能發電結合，提供全天候電能
近年來，隨著太陽能發電技術愈發成熟，其已成為世界各主要經濟體電網的重要組成部分。太陽能發電主要包括太陽能光發電和太陽能熱發電，其具有資源充足、應用廣泛、安全、清潔和技術可靠等優點，功率密度可達每平米180W左右。缺點是穩定性差，沒有太陽時，它便不能發電或者發電量很小，影響了用電設備的正常使用。而將「輻射製冷」發電與太陽能發電結合，可隨時為太陽能發電設備降溫、延長太陽能發電設備壽命的同時，還可產生一定量電能，可為遠地自動無線電接收裝置、自動天氣預報站、微波中繼站和無人航標燈等微型、小型設備提供全天候的電能。
（二）利用餘熱、廢熱發電
隨著工業化進程的加快，各種製造業和加工業生產過程中產生的廢氣和廢液成倍增加，其中的餘熱、廢熱相當可觀，工業餘熱的合理利用是解決能源短缺問題的一個重要途徑。利用溫差發電技術進行工業餘熱發電，可降低成本、提高能源的利用率，具有可觀的經濟效益和環境效應。
例如，火力發電廠熱效率一般為30%至40%，用傳統的熱機做功發電方式很難使發電效率進一步提高，如果利用鍋爐爐膛的特殊結構在發電系統中加入溫差發電器，鍋爐爐膛內部1000℃的高溫端與100℃至300℃低溫端爐膛水冷壁持續存在溫差，利用其進行溫差進行發電，可進一步提高系統發電效率。目前已有應用於電站鍋爐爐膛內的鹼金屬熱電轉換器，可提高系統發電效率5%至7%。
同理，汽車產生的餘熱也可被利用，從而更有效地利用能源。汽車發動機排氣所帶走的熱量佔所消耗的燃料產生熱量的40%，殘餘廢氣的溫度約在800℃左右，可以利用溫差發電技術回收尾氣餘熱進行發電。研究表明，輕型車廢氣溫度達到700℃，廢氣流速達到20g/s，中型車廢氣溫度達到512℃，廢氣流速達到30g/s時，利用溫差發電能達到5-6kW的電能。
目前，美國、日本等國家已開展了相關研究並製作了原型，其中包括GM、BMW和Nissan等汽車業巨頭。他們使用價格昂貴的高溫熱電材料提升熱電轉換效率，如BMW以高溫熱電材料覆蓋發動機外壁直接從發動機機體回收熱量，可回收十幾千瓦的能量，高效回收的電能超出了一輛汽車所需要的正常用電，多出來的這部分可以儲存作為汽車輔助動力從而形成混合動力區驅動車輛。
（三）溫差發電在航天領域的應用
太空飛行器常用的供能方式是太陽能供電，但這種方式往往只適用於工作在有一定太陽輻射量的空間中的太空飛行器，在太陽能電板接收不到太陽輻射而無法發揮作用時，尤其是小型太空飛行器在執行外層空間探測任務時，同屬於塞貝克效應的同位素溫差發電器便成為最佳動力源。同位素溫差發電器利用放射性同位素衰變時產生的熱量經塞貝克效應轉變成電能，具有性能可靠、熱源穩定、壽命長和能量密度高等優點。
在這方面，前蘇聯和美國是研製和使用同位素溫差發電器最多的國家,自1961年以來,僅美國在太空飛行中使用的同位素溫差發電器就達40個,這些同位素溫差發電器的輸出功率為2.7至300W,最長的工作時間已超過30年。1977年8月20日發射的旅行者2號行星際飛行器,使用238Pu同位素溫差發電器,已成功飛越了木星、土星、天王星和海王星,現已飛出太陽系,溫差發電器仍在正常工作。
近年來，美國在放射性同位素溫差發電器研究領域處於領先地位。2003年6月10日和7月7日分別發射的兩個火星探測器「勇氣」號和「機遇」號，以及2006年2月18日發射的、用於探索冥王星的「新視野」號行星探測器均採用放射性元素鈽衰變經溫差發電器為探測器提供電力，其中「勇氣」號和「機遇」號上各裝配8臺Pu放射性溫差發電器，每臺發電器能提供1W的電力，以確保兩探測器上的電子儀器和運行系統能安全度過火星夜晚（-105℃），使其能維持在55℃以上的工作溫度。「新視野」號上的溫差發電器更是能提供30V、240W的電力。
「勇氣」號火星探測器模擬圖
我國的探月二期工程也採用了同位素溫差發電器提供動力，提供常值負載和CPU用電，而餘下的熱量還可以給太空飛行器系統中科學儀器及平臺保溫，使其能在月夜極端低溫環境（-170℃）中正常工作。
（四）溫差發電在軍事領域的應用
溫差發電所具備的無聲音、無振動、隱蔽、多場景適用等特點，使得其在軍事領域具有廣泛應用。20世紀80年代初，美國就完成了500W至1000W軍用溫差發電機的研製，並於80年代末正式列入部隊裝備，它可在深海中為無線電信號轉發系統供電，而該系統是美國飛彈定位系統網絡的一個組成部分，其設計工作深度達10公裡，工作功率大於1W，壽命在10年以上。Hi-Z公司也為軍方開發了基於量子點原理製造的高性能微型溫差發電模塊，用於船載多種無線傳感器的電源供給，這些傳感器肩負著監測斷裂、腐蝕、撞擊破壞以及溫度漂移等多項任務。在這之中，溫差發電機滿足了其對電源尺寸、重量、洩露和壽命等多方面極高的要求。陸軍方面，從1999年開始，美國能源部啟動了「能源收穫科學與技術項目」，研究利用溫差發電模塊將士兵的體熱收集起來用於電池充電。目前該研究項目已取得了多項研究成果。
四、溫差發電技術展望
溫差發電技術可以靈活利用各種不同等級和形式的熱能，適用於太陽能、地熱能、海洋溫差、工業餘熱、汽車廢熱、人體熱能等。與傳統發電方式相比，溫差發電技術結構簡單，無機械運動部件，運行壽命長，可靠性高，綠色環保，能夠滿足對中小發電量的需求，有較大的發展潛力和廣闊的應用前景。為規避當前存在的轉換效率低、成本高等缺點，應在以下方面開展研究：一是利用傳統半導體能帶理論和現代量子理論，對具有不同晶體結構的材料進行賽貝克係數、電導率和熱導率的計算，以在更大範圍內尋找熱電優值更高的熱電材料；二是進一步研究熱電材料的微觀結構和製造工藝對熱電性能的影響，開發新型的超晶格熱電材料和納米熱電材料提高材料的熱電性能；三是加強器件的製備工藝研究，降低成本，促進熱電材料的產業化應用進程；四是積極研發新型的溫差發電系統和結構，如熱電共生系統、高能量密度溫差發電模塊、加熱循環熱電燃燒系統等，採用強化熱電直接轉換技術開發出大功率、高性能和高經濟性的轉換器件和轉換系統。
參考文獻
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作者簡介
張宇麒，國務院發展研究中心國際技術經濟研究所數據部，研究助理
研究方向：能源領域戰略、技術和產業前沿
聯繫方式：zhangyuqi@drciite.org
作者丨 張宇麒
編輯丨 劉 瑾
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信帳號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
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