物理学家设想：夜幕下从地球红外辐射中获取能量

夜幕下，捕获“隐身”太阳能
——物理学家提出从地球红外辐射中获取能量
本报记者 常丽君 综合外电
                                
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       当太阳落山，阳光远离了太阳能电池板，整个夜晚靠什么供给能源？电池还是老式柴油发电机？最近，美国哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）研究人员提出了一种新设想：利用地球向太空发出的红外热辐射来发电。
       由于受到太阳照射，地球比外层空间更温暖。研究人员说，利用目前的技术，已经可以将热量不平衡转化为直流电，这在地球和外层空间之间也有可能实现，使地球的红外热辐射成为一个巨大的、从未利用过的能源宝库。相关论文发表在美国《国家科学院院刊》上。
       “首先是怎么利用地球向太空辐射的红外线来发电，这一点并不明显。”哈佛大学罗伯特·华莱士应用物理学教授费德里科·卡帕索说，“利用辐射发电而不是靠吸收光，这听起来似乎离奇。虽然违反直觉，但它在物理上是说得通的。这是物理学在纳米领域的全新应用。”
       挑战传统开发新能源
       当热从较热物体传到较冷物体时，能产生可再生能源。从温暖的地表到寒冷的外太空，也存在这种热传递，这就是红外线辐射。地球以红外辐射的形式向外释放的能量达到100亿兆瓦，这么巨大的能量一直被忽略。
       “中红外线在很大程度上被人们忽视了。即使在光谱学中，直到有了量子级联激光器，人们还是认为这一波段很难操作。但这是人们对它的成见。”卡帕索说。他们的最新研究表明，从地球发出的红外辐射中捕获能量是有可能的。
       卡帕索是研究半导体物理学、光子学和固态电子学方面的专家。他在1994年共同发明了红外量子级联激光器，开创了能带工程研究领域，并证明了一种称为“卡西米尔斥力”的量子电力学现象。
       “阳光是一种能源，所以光伏电池才有意义，你只需要收集能量。但事情并非那么简单，要捕获红外光的能量还很困难。”论文第一作者、SEAS博士后研究员斯蒂芬·伯恩斯说，“用这种方法能发多少电并不明显，是不是经济划算值得研究，我们还必须坐下来仔细计算一番。”
       发电虽少却切实可用
       伯恩斯指出：“比如把这种设备与太阳能电池结合，就能在夜晚获取额外的电力，而无需额外的装置成本。”
       为了证明红外辐射发电的可行性，卡帕索小组提出了两种不同的辐射能量收集器（EEH）：一种是热EEH，类似于太阳能热发电机；而另一种是光电子EEH，就像光伏电池板。
       第一种设备由“热”板和“冷”板组成，“热”板的温度和地球及环境空气温度相同，“冷”板装在“热”板上，面朝上，由一种高辐射性材料制成，能把热量高效地辐射向天空。研究人员在俄克拉荷马州拉蒙特进行了实验测量，根据计算，两板间的热量差每平方米在一昼夜能发出几个瓦特的电。虽然要保持“冷”板温度低于环境温度还比较困难，但这种设备证明了温差发电确实可行。
       “这种方法比较直观，我们正在把人们熟悉的热力发动机原理和辐射制冷原理结合起来。”伯恩斯说。
       第二种设备的原理深入到电子行为的层面，就不那么直观了。它是靠纳米电子元件——二极管和天线之间的温差来发电，这不是人们用手能感知的温度。“如果你有两个温度相同的元件，显然不能做什么功；如果两个元件温度不同，就能做功了。”卡帕索说。它的工作原理类似光电池，其核心是整流天线，利用吸收外界热量后不同电子组件之间存在温差来产生电流。
       在论文中，研究人员设计了一种单体扁平设备，印上许多这种微电路而朝向天空，以此来发电。他们还指出，目前整流天线技术只能产生“可忽略的电力”，但技术的进步可能会提高发电效率。
       技术挑战与未来前景
       研究人员更看好第二种方案。光电子的方法虽然还很新，但根据目前的技术发展趋势，随着等离子学、微电子学、新材料和纳米制造方面的进步，还是可行的。论文中还指出了今后研究中面临的技术挑战和未来前景。
       “人们研究红外二极管至少已有50年了，还没有大的进步。最近在纳米制造方面取得了一些进展，让人们能制造更好的、可升级而且可再生的纳米材料。”伯恩斯说，但即使用现在最好的红外二极管，还是有问题。“一个单回路中流过的电量越多，当你从红外辐射中收集能量时，电压就会相对越低。这也意味着，要制造高效的红外二极管非常困难。”
       包括伯恩斯在内的工程师和物理学家，已经在设想能在低电压下工作的新型二极管，比如隧道二极管和弹道二极管。另一种方法是增加电路元件的阻抗，以此将电压提高到更可行的水平。
       伯恩斯还指出，速度是另一项挑战。“在处理电压和阻抗问题的同时，我们还要满足速度要求。目前只有一种筛选出来的二极管，能在一秒钟交替开关30万亿次，这是红外信号所需要的频率。”
       研究人员在论文中指出：“今天的技术还不足以制造有效且成本划算的光电辐射能收集器，但我们描述了一些可能在今后达到这一目标的方式。我们希望能开拓这个前沿领域，在可再生能源方面发挥辐射能收集器的作用。”
来源：中国科技网-科技日报    作者：常丽君    2014年04月01日

是不是要研制新的材料收集转换红外辐射从而获取能量

我记得很早之前，俄罗斯科学家设想在月球安装好多反射装置，把太阳光反射到西伯利亚。

樊樊323 发表于 2014-4-1 14:18

                                
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是不是要研制新的材料收集转换红外辐射从而获取能量
确实如此！这样更加符合能量守恒定律，也不用再担心地球不断升温了。

安妮的宝贝 发表于 2014-4-1 16:30

                                
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我记得很早之前，俄罗斯科学家设想在月球安装好多反射装置，把太阳光反射到西伯利亚。
这个研究比之你的那个设想更有创意哦！

zj2635 发表于 2014-4-1 22:56

                                
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这个研究比之你的那个设想更有创意哦！
这个是新闻报道的，据说是投资太大，技术也有难度哈哈，科学狂人想把西伯利亚开发掉。

日本计划用太阳能板包裹月球 反射能量供应地球


据英国《每日邮报》2011年5月26日报道，日本建筑业巨头清水建设株式会社研究机构日前公布了一项雄心勃勃的能源计划，在月球赤道周围地区部署大量太阳能电池板，将收集到的太阳能传回地球接收站，以供地球所需。
按照计划，月球反射太阳能将以激光或者微波的方式传送给地球上的接收站，持续供应能量可达1.3万太瓦（1太瓦等于1000吉瓦，1吉瓦等于1000兆瓦，1000兆瓦的能量相当于世界最大燃煤发电厂的发电量）。日本计划用机器人在太空修建这种巨大的太阳能电池板，以捕捉太阳能量。这些太阳能电池板宽达400公里，长度1万多公里，用于传输太阳能的天线宽度达到20公里。
　　
　　　　自从日本大地震和海啸引发福岛核危机以来，日本就开始迫切寻找可替代核能的能源。现在有关这项工程的具体时间表还没有宣布，但它无疑将是人类有史以来建造的规模最大的公共工程。
　　
　　　　清水公司网站称：“找到无限清洁能源是人类的终极梦想之一，而我们的月球太阳能传输计划能够将这一梦想变成现实。取之不尽的清洁太阳能能够给大自然和我们的生活带来繁荣，实现人类和地球的永远共存。”
　　
　　　　清水公司称，这一计划不会受到恶劣天气的影响，可以满足全世界的能源需求。为了实现这一计划，宇航员首先要重返月球，在机器人的帮助下，平整月球坑坑洼洼的表面。然后利用月球上的土壤获取该计划所需的水、混凝土、氧和陶瓷。他们还计划建造一个铁路系统，运送用于维护这项计划的设备。

安妮的宝贝 发表于 2014-4-2 14:48

                                
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日本计划用太阳能板包裹月球 反射能量供应地球
据英国《每日邮报》2011年5月26日报道，日本建筑业巨头清水 ...
这个计划真有些匪夷所思，太疯狂了！

zj2635 发表于 2014-4-3 14:57

                                
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这个计划真有些匪夷所思，太疯狂了！
敢想敢干，行动力强，确实也是成功的一项素质。

安妮的宝贝 发表于 2014-4-2 14:48

                                
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日本计划用太阳能板包裹月球 反射能量供应地球
据英国《每日邮报》2011年5月26日报道，日本建筑业巨头清水 ...
这是全球梦想呀，够疯狂