加利福尼亞的科學(xué)家們開發(fā)了一種“反向太陽能電池”設(shè)備，該設(shè)備可以利用夜間從地面流入太空的能量為家用電器等供電。這項(xiàng)技術(shù)可以填補(bǔ)僅在白天工作的太陽能電池板所留下的空白。
普通太陽能電池板的一個問題是，它們僅在陽光普照的白天才發(fā)電，因此夜晚就成為了產(chǎn)生能源的“空窗期”。在這段大致占據(jù)一天中三分之一的漫長時間里，如果用電池來替上，成本之高顯而易見。對于那些生活中偏遠(yuǎn)地區(qū)或無法負(fù)擔(dān)額外電池費(fèi)用的發(fā)展中國家的人們來說，這成為了一大問題。
科學(xué)家們研發(fā)出的這種成本極低的新型方案，實(shí)際上是通過從黑暗中捕獲能量，然后像太陽能電池板那樣工作。他們利用太陽和地球之間的溫差來創(chuàng)造可用的能量。
該研究今年9月發(fā)表在同行評審的《焦耳》（Joule）雜志上。
利用熱量散失到夜空
加州大學(xué)洛杉磯分校和斯坦福大學(xué)的研究人員利用了稱為輻射冷卻（radiative cooling）的原理。該原理可以應(yīng)用在晚上，主要是因?yàn)榈厍驅(qū)崃枯椛涞桨滋煳盏目臻g中。這個過程實(shí)際上可能導(dǎo)致地面變得比空氣更冷，這就是當(dāng)氣溫仍然高于冰點(diǎn)時，夜晚在草地上形成霜凍的方式。因?yàn)楸┞队谝箍盏奈矬w與用來發(fā)電的空氣之間存在溫差，它就發(fā)揮作用了。
這一概念背后的技術(shù)非常簡單，預(yù)估只要花費(fèi)約30美元。他們制作的熱電模塊由一個類似于鞋盒大小的聚苯乙烯泡沫塑料盒組成。它被鋁材料覆蓋，外部漆成黑色的金屬盤面朝上，內(nèi)部是鋁塊——用來充當(dāng)“熱發(fā)射器”。但是，關(guān)鍵組件是將磁盤和塊耦合的商用熱電發(fā)電機(jī)。
（上圖為熱電發(fā)電機(jī)的示意圖，該發(fā)電機(jī)利用溫度差來產(chǎn)生可再生電力，而無需主動輸入熱量。 圖源：Joule雜志）
熱量從地面入空氣，通過盒子底部的一個小鋁塊進(jìn)入圓盤，然后將熱量向上輻射到空氣中。
熱電發(fā)電機(jī)或熱電偶是固態(tài)設(shè)備，當(dāng)熱量從一側(cè)傳遞到另一側(cè)時會發(fā)電。它們的應(yīng)用范圍很廣，從小型溫度傳感器到通過煙囪中產(chǎn)生的廢熱產(chǎn)生動力的設(shè)備，再到由體熱產(chǎn)生電能的設(shè)備都涵蓋在內(nèi)。
該技術(shù)也已用于日光太暗而無法提供足夠功率的深空探測器。它們是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）中的關(guān)鍵組件。RTG使用一小塊放射性物質(zhì)來產(chǎn)生熱量，這些熱量會由熱電材料轉(zhuǎn)化為電能。這些設(shè)備為機(jī)器人提供了動力，例如火星上的“好奇號”漫游車，前往土星的卡西尼號飛行任務(wù)以及雙子航海家號，它們將運(yùn)行數(shù)十年，探索太陽系的外圍。
目前還只能點(diǎn)亮LED燈泡
熱源是什么都沒有關(guān)系，并且產(chǎn)生電流不需要很大的溫差。
泡沫盒設(shè)備放在加利福尼亞州斯坦福市的屋頂上。在12月的晴朗夜晚，持續(xù)了六個多小時，空氣和黑色金屬之間的溫度差僅為幾度。這產(chǎn)生了0.8毫瓦的峰值功率，這只是一天中同等尺寸的太陽能電池板可產(chǎn)生的電能的很小一部分。但這足以點(diǎn)亮LED燈泡，并證明了可以從黑暗中產(chǎn)生光的概念。
科學(xué)家們說，通過改進(jìn)和擴(kuò)大規(guī)模，大型設(shè)備可以以完全無源的方式為夜間照明，或?yàn)殡娮釉O(shè)備充電提供足夠的清潔電力。研究人員聲稱，在更高的絕緣和更干燥的氣候條件下，他們將能夠使每平方米磁盤的功率達(dá)到0.5瓦。
熱力電能不能滿足我們所有的夜間能源需求，但是它們可以在發(fā)展中國家和邊遠(yuǎn)地區(qū)提供低成本的清潔能源。而且它們的壽命不受電池的限制。
另一方面，早期測試表明該設(shè)備每平方米只產(chǎn)生了微小的64納瓦功率。相比之下，太陽能電池板的平均功率要比這高出十億倍，因此這一研究實(shí)際上還有很長的路要走。
該項(xiàng)目表明，地球上產(chǎn)生清潔能源的手段還有很大探索空間。甚至在晚上，能量也以多種形式存在于我們周圍。我們只需要創(chuàng)新的方法來捕獲它。
