余熱再利用技術(shù)催生新能源
古時候，當(dāng)出航的水手們被困在無風(fēng)的海面上時，他們總會發(fā)出這樣的哀嘆：“水，到處都是水，卻沒有一滴能解渴”。進(jìn)入現(xiàn)代社會，我們似乎也在面臨類似的窘境：人類四圍的環(huán)境中充滿豐富的能量：風(fēng)、陽光、潮汐和熱，但目前卻難以被人類輕易利用。近些年來，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板等獵取可再生能源的裝備得到快速發(fā)展的同時，也有不少科學(xué)家在研究如何回收利用大氣中無處不在的熱量，試圖讓這些時刻產(chǎn)生、但卻被人類忽略的能量為人類所用。
可利用廢熱隨處可見
在一些領(lǐng)域，人們已經(jīng)開始嘗試用簡單的方法利用“廢”熱，例如用仍有較高溫度的廢水為地?zé)崛∨蛉诨郊臆嚨郎系慕Y(jié)冰。“熱電聯(lián)動”電廠則更為高級一些，即在發(fā)電的同時利用余熱為附近的住戶供暖。在工業(yè)生產(chǎn)中，鍋爐和大型制冷設(shè)備產(chǎn)生的余熱有時也被回收用于其它地方，以降低供熱成本。國外部分環(huán)保意識強(qiáng)烈的人士已開始在家中安裝 “空氣源熱泵”，利用從室外空氣中提取的熱量保持室內(nèi)的溫度。
如果說這些嘗試只是“小打小鬧”，那么美國印第安納州圣母大學(xué)的電腦專家保羅·布雷納則是在“動真格”的。眼下電腦已經(jīng)非常普及，每個人都能切身體會到電腦運(yùn)行時排氣孔散發(fā)出的熱量。為了讓電腦正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這些熱量必須通過風(fēng)扇等散熱設(shè)備排出，而風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動同樣需要耗費(fèi)電力。隨著電腦性能的提升，散熱的用電需求也同步增長。據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）的預(yù)測數(shù)據(jù)，到2011年，全美在服務(wù)器供電和冷卻上的花費(fèi)將從2006年的45億美元增長到74億美元。如果能將這些對電腦而言毫無用處的熱量再利用，顯然能夠大幅節(jié)約成本。
布雷納和他的研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試讓計(jì)算機(jī)散發(fā)的余熱成為室內(nèi)采暖系統(tǒng)的一部分。為了驗(yàn)證這一構(gòu)想是否可行，他們在圣母大學(xué)一間閑置的辦公室內(nèi)架設(shè)了若干臺服務(wù)器，服務(wù)器的另一端連接著校園機(jī)房中用于大數(shù)據(jù)量計(jì)算的主電腦上。當(dāng)辦公室內(nèi)的溫度偏低時，服務(wù)器便會向計(jì)算機(jī)發(fā)出信號，要求后者啟動該服務(wù)器進(jìn)行工作；一旦房間溫度上升到一定區(qū)間時，就會再次發(fā)出信號，暫停使用服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)證明布雷納的設(shè)想是可行的，房間始終保持著舒適的溫度，熱量的來源并不是空調(diào)，而是服務(wù)器散發(fā)出的廢熱。
現(xiàn)在布雷納已將這一技術(shù)運(yùn)用在了圣母大學(xué)的植物園內(nèi)。通過4個服務(wù)器機(jī)柜，植物園溫室的溫度得到了保證，與之相對應(yīng)的是，圣母大學(xué)每年因此節(jié)省了3.8萬美元的服務(wù)器冷卻費(fèi)用，同時植物園的燃?xì)赓M(fèi)支出減少了1.56萬美元。
余熱發(fā)電是終極應(yīng)用
布雷納的創(chuàng)意雖然取得了成功，但與自然界海量的余熱相比，植物園的應(yīng)用規(guī)模實(shí)在太小。我們知道，電是能源最理想的傳輸方式，將余熱轉(zhuǎn)換為電能才是終極應(yīng)用。目前美國愛荷華州國家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行這方面的研究。通常這種熱電轉(zhuǎn)化需要通過熱電偶實(shí)現(xiàn)的，熱電偶是一種被廣泛應(yīng)用的溫度傳感器，由兩層不同的金屬構(gòu)成，當(dāng)其中一層比另一層溫度高時，兩層金屬間就會產(chǎn)生電流。但愛荷華州國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家史蒂芬·諾瓦克、戴爾·科特則正在研究一種更加新奇的方法——使用一種由黃金或鎳鉻合金為材料制成的、被稱為“納米天線”的裝置來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。
物體受熱時會散發(fā)出紅外射線，黃金或鎳鉻合金中的電子受到這種輻射便會產(chǎn)生振動。電子振動緊接著會產(chǎn)生可被利用的交變電流。雖然單個納米天線中生成的電流很小，但大量納米天線組成的陣列就足以產(chǎn)生不小的電量。納米天線本身采用大規(guī)模印壓法工藝制成，在略微加熱的塑料薄片上壓制其基層結(jié)構(gòu)；鶎咏Y(jié)構(gòu)成型后，再往壓出的凹槽里涂鍍金屬層。由于只需要涂鍍少量的金屬，所以最終的產(chǎn)品價格不高，并且具有很好的延展性。
不過納米天線的實(shí)際應(yīng)用也面臨著一個難題，即產(chǎn)生的交流電頻率過高。美國使用的交流電頻率為60赫茲，而納米天線產(chǎn)生的電流頻率則高達(dá)3000億赫茲。若要使用這種超高頻電流，需要將納米天線與整流器配套使用。但目前市面上的整流器只能應(yīng)付頻率為10億赫茲的電流。
為了解決這個問題，諾瓦克與他的同事正試驗(yàn)在納米天線中嵌入一個納米級別的二極管。二極管是一種只允許電流單向流動的元件，經(jīng)過二極管后，高頻的交流電就變成了易于處理的直流電。研究人員希望增加這一元件后能使他們的余熱利用技術(shù)變得現(xiàn)實(shí)可行。
光伏電池的新天地
除了納米天線，另一個正在探索中的余熱回收方式是利用類似太陽能電池板的光伏電池捕捉紅外線。光伏電池的工作原理是通過一簇簇的光量子將原子中的電子撞擊出來成為自由電子，這些自由電子接下來便會形成電流。光伏電池通常對光譜中的可見光和紫外線波段的光子最為敏感，但高頻紅外光子也能激發(fā)電流。
然而只有那些運(yùn)動方向與發(fā)熱材料表面成近乎完美直角的光子可逃逸材料表面而發(fā)射出來，其它任何角度的光子在碰到表面時都會被反彈回來？量痰臈l件使得放置在發(fā)熱物體附近的光伏電池每平方厘米只能夠產(chǎn)生大約0.02瓦的電力，而吸收太陽光的光伏電池每平方厘米可產(chǎn)生20瓦的電力。
位于美國波士頓的高科技公司MTPV正試圖解決這一問題。MTPV科學(xué)家鮑勃·迪馬特奧領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，如果將光伏電池放在距碳化硅合金材料的發(fā)熱表面幾百納米遠(yuǎn)的位置，情況就會發(fā)生變化。當(dāng)電池與發(fā)熱體間的距離小于合金材料的紅外輻射波長時，光子就不會被材料表面反彈回來，而是直接進(jìn)入電池內(nèi)。在這種情況下，光伏電池每平方厘米能夠產(chǎn)生5至10瓦的電量。研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用潛力主要集中在要求高溫的行業(yè)中，比如玻璃制造，或在發(fā)電站附近回收廢熱。
除了MTPV，目前美國麻省理工大學(xué)也在進(jìn)行類似研究。該校研究人員在近期出版的《應(yīng)用物理》上刊文稱，他們改變了電池的設(shè)計(jì)，在普通半導(dǎo)體材料的夾層中加入極細(xì)的金屬絲，使自由電子通過這些金屬絲聚集和導(dǎo)出，形成電流。雖然這種新元件還處于試驗(yàn)階段，但按照該研究小組計(jì)算，這種元件的熱電轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到每平方厘米100瓦。在科技發(fā)展日新月異的今天，在不遠(yuǎn)的未來，我們或許會看到，余熱將成為與太陽能、風(fēng)能等并駕齊驅(qū)的又一個新能源。
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