科學家的魔法：從太陽和外太空同時獲取能源

　　2018年11月09日 10:02 　　來源：知社學術圈

　　根據熱力學基本定律，高溫熱源和低溫熱沉對提高熱機的工作效率同等重要。這一點可以從理想熱機的卡諾效率ηCN=1-TC⁄TH 得到直觀體現，其中的TH和TC分別為熱源和熱沉的溫度。眾所周知，溫度高達6000 K的太陽是大自然饋贈給人類的一個理想熱源。

　　

　　圖片來自視覺中國

　　對太陽能的利用貫穿於人類文明歷史；大自然同時饋贈給人類一個溫度低至3 K的理想熱沉—外太空。近年來，通過輻射製冷技術對這一理想熱沉的開發利用目前引起了人們的廣泛興趣。然而，在實際應用中，由於輻射製冷板和太陽能電池板或加熱器往往都需要鋪設在屋頂，因此這兩種技術往往相互爭奪屋頂空間。

　　最近美國斯坦福大學范汕洄教授、中國東南大學陳震教授、以及其他團隊成員提出了一種新型的光子學設計成功解決了這一難題。建立在該團隊以前實現的晝夜24小時將器件持續輻射製冷至環境溫度以下40攝氏度的工作基礎上，新設計的亮點在於將太陽能技術和輻射製冷技術合二為一，使得這兩種技術不但不相互干擾，而且可以相互提升對方的工作效率。該工作於北京時間2018年11月8日發表在Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule 上，題為「Simultaneously and Synergistically Harvest Energy from the Sun and Outer Space」。該研究有望重新定義人們有效利用可再生能源的方式。

　　理論分析表明：利用太陽和地球分別作為熱源和熱沉驅動理想熱機的最大輸出功率為1355 W/m2，對應的效率為85%；利用地球和外太空分別作為熱源和熱沉驅動理想熱機的最大輸出功率為48 W/m2，對應的效率為25%；利用地球和外太空分別作為熱源和熱沉驅動理想熱機的最大輸出功率為1403 W/m2，對應的效率為88%。可見，同時利用太陽和外太空可以將熱機效率和輸出功率同時推進到新的理論極限。然而，問題在於在實際應用中如何最大限度地利用建築物屋頂空間同時鋪設太陽能板和輻射製冷板，使二者不相互爭奪鋪設空間，又能相互提高彼此的性能呢？

　　

　　（A）利用太陽作為熱源獲取能量的理論極限分析

　　（B）利用外太空作為熱沉獲取能量的理論極限分析

　　（C）分別利用太陽和外太空作為熱源和熱沉獲取能量的理論分析

　　為解決上述問題，研究人員設計並搭建了如下圖所示的實驗裝置，將太陽能吸收板和輻射製冷板從上往下垂直疊加放置。這樣設計的優點在於可以最大限度地利用建築物屋頂鋪設最大面積的太陽能吸收板和輻射製冷板。其中，太陽能吸收板選用常用的半導體材料鍺，輻射製冷板選用該團隊以前設計的雙層薄膜（氮化硅和硅）製冷器。該製冷板在2016年發表的Nature Communications上成功實現了晝夜24小時持續輻射製冷至環境溫度以下40攝氏度的製冷效果。裝配有ZnSe透明窗口的真空裝置將輻射製冷器與周圍環境熱隔離，以實現最佳製冷效果。鍺太陽能吸收板的突出優點在於在吸收太陽能波段光子的同時可以讓底部輻射製冷器輻射的中紅外波段光子暢通無阻地通過。

　　

　　（A）實驗裝置示意圖

　　（B）太陽能吸收板和真空裝置實物圖

　　（C）輻射製冷器和真空裝置內部細節圖

　　

　　圖片來自網路

　　光譜儀測試驗證了光子學設計：在太陽波段，頂部的鍺太陽能吸收板的平均吸收率高達70%以上，而透過率幾乎為零，這就保證了太陽波段光子絕大部分被鍺板吸收使其溫度升高，而不會到達底部的輻射製冷板從而影響其製冷效果。在中紅外波段，尤其是對應於8-13微米的大氣透明窗口，鍺板和ZnSe窗口的穿透率，以及輻射製冷板的輻射率都極高，這就保證了從輻射製冷板輻射出的中紅外光子能不受阻礙地到達外太空從而實現高性能的輻射製冷。

　　

　　（A）AM1.5太陽輻射光譜

　　（B）大氣透射率

　　（C-D）鍺太陽能吸收板在太陽光譜和中紅外波段的穿透率和吸收率

　　（E-F）ZnSe透明窗口在太陽光譜和中紅外波段的穿透率

　　（G-H）輻射製冷板在太陽光譜和中紅外波段的輻射率

　　典型實驗結果如下圖所示：日出之前，太陽能吸收板的溫度與環境溫度基本相同；日出之後，太陽能吸收板的溫度逐漸偏離環境溫度，到正午時，二者溫差最大，達到24攝氏度。之後，二者溫度又逐漸接近；日落之後，二者溫度又基本相同。在整個實驗時間段內，輻射製冷板的溫度變化趨勢基本與環境溫度保持一致，溫度差保持在25-30攝氏度之間。

　　

　　實驗結果：日出之後太陽吸收板的溫度漸漸偏離環境溫度；到正午時，二者溫差達到24攝氏度；之後二者溫度又逐漸趨於相同。在整個測試時間段內輻射製冷板降溫保持在環境溫度以下25-30攝氏度之間。

　　如下圖所示，實驗結果與理論預測基本一致。隨著太陽熱流的增大，太陽能吸收板與周圍環境之間的溫差逐漸增大，但輻射製冷板與環境溫差卻基本保持不變。這一結果強調了實驗裝置中頂部太陽能吸收板的兩大作用：其一是吸收太陽能轉化為熱能；其二是保證底部的輻射製冷板輻射的中紅外波長的光子無障礙地透過並最終到達外太空實現輻射製冷。圖中太陽能吸收板的溫度波動較大，而輻射製冷板的溫度波動較小。這是因為太陽能吸收板放置在真空裝置之外，受樓頂風速波動的影響較大；而輻射製冷板置於真空裝置之內，基本不受外界風速波動的影響。

　　

　　實驗與理論結果對比：太陽能吸收板置於真空裝置之外受風速波動影響，導致其溫度波動較大；輻射製冷板置於真空裝置之內基本不受外界風速影響，導致其溫度波動很小。

　　如果將太陽能吸收板也置於真空裝置之內，其溫度可以大大提升，但是需要重新對輻射製冷板進行光子學設計，以進一步降低其與太陽能吸收板之間的熱耦合，從而保證其高性能的製冷效果。本實驗中使用的太陽能吸收板和輻射製冷板的直徑在10厘米左右。要實現該技術的大規模使用，需要解決的最主要問題是尋找廉價的紅外透明窗口以取代昂貴的ZnSe窗口。比較有希望的替代品為硅、鍺等常用半導體材料。

　　本實驗中的太陽能吸收板實現了將太陽能轉化為熱能，另一種方案是將其替換為太陽能電池板從而將太陽能直接轉化為電能。這樣可以實現給建築物提供電能的同時為建築物降溫。要實現這一方案，需要對市面上常用的硅太陽能電池板進行改進，去掉其背面反光鏡面，同時將其重摻雜區域和背面金屬電極限制在一個較小的區域，從而保證硅太陽能電池板的大部分區域對中紅外波長的光子是透明的。

　

　團隊介紹：

　　

　　陳震：中國東南大學教授、博士生導師。中組部國家人才計劃第十二批獲得者，2018年江蘇省雙創人才入選專家。博士就讀於加州大學伯克利分校機械工程系（ChrisDames教授實驗室），主修專業為微納米尺度傳熱學；博士后工作於斯坦福大學電子工程系（范汕洄教授實驗室），主要研究方向為熱輻射的納米光子學控制。主要研究成果分別以第一作者或通訊作者發表在Nature Communications， Joule， Nano Letters， Physical Review B，Applied Physics Letters等國際著名期刊，2013年至今的總引用已超過1300次（Google Scholar）。

　　朱林曉：斯坦福大學博士，現任密歇根大學博士后研究員。

　　李煒：范德堡大學博士，現任斯坦福大學博士后研究員。

　　

　　范汕洄：美國斯坦福大學電子工程系教授、Ginzton實驗室主任。范汕洄教授博士畢業於麻省理工學院物理系，目前為美國物理學會（AmericanPhysical Society）、電子工程師學會（IEEE）、光學學會（Optical Society of America）、光學和光子技術學會（SPIE）等眾多著名學術組織的當選會士（fellow），國際著名期刊Applied physics letters和 Photonics and Nanostructures： Fundamentals and Applications副主編，是國際公認的光子晶體學的權威學者，輻射製冷、無線電力傳輸等前沿研究的開拓者和領導者。根據Google Scholar統計，范汕洄教授的的總引用率已超過59000次，H-index高達116，其中2013年至今的總引用已超過32000次。