科羅拉多大學博爾德分校保羅·M·雷迪機械工程系的一個工程師和材料科學家團隊開發出了一種新技術，這種技術能把熱輻射轉變成電能，這其實是在挑戰熱物理學的基本定律呢。

這一突破是由崔龍吉助理教授領導的崔氏研究小組發現的。他們和美國國家可再生能源實驗室（NREL）以及威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員合作的研究成果，近期發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Sciences）雜志上。

這個研究小組說，他們的研究可能會給制造業帶來變革，不用高溫熱源或者昂貴材料就能增加發電量。他們能夠儲存清潔能源、降低碳排放，并收集全球地熱、核能和太陽輻射發電廠的熱量。

換句話說，崔教授和他的團隊解決了一個由來已久的難題：如何用更少的資源做更多的事。

崔教授說：“熱能是一種常被忽視的可再生能源。咱們使用的能源有三分之二都變成熱能了。想想不涉及化石燃料的儲能和發電方式。我們可以回收部分被浪費的熱能并用它來制造清潔電力。”

突破真空中的物理極限

高溫工業制程和可再生能源采集技術通常會利用一種名為熱光電（TPV）的熱能轉換方法。這種方法利用高溫熱源的熱能來發電。

但現有的熱光電設備存在一個限制：普朗克熱輻射定律。

“普朗克定律是熱物理學中最基本的定律之一，它對在任何給定溫度下可從高溫源獲取的熱能設定了一個限制，”崔（音譯）說道，他同時也是材料科學與工程計劃以及量子材料實驗中心的一名教職工。“研究人員試圖用很多想法更接近或克服這個限制，但目前的方法在制造設備時過于復雜、成本高昂且不可擴展。”

這就是崔的團隊發揮作用的地方。通過設計一種獨特且小巧、能放在人手中的熱光電設備，該團隊能夠突破普朗克定律所定義的真空極限，并使傳統熱光電設計之前所達到的產出功率密度提高一倍。

“當我們探索這項技術時，我們從理論上預測到會有很高的增強效果。但我們不確定在現實世界的實驗里會是啥樣，”崔（音譯）實驗室的博士生、這項研究的理論和實驗負責人穆罕默德·哈比比（Mohammad Habibi）說道。“在進行實驗并處理數據之后，我們自己看到了這種增強效果，就知道這成果很了不起。”

使用玻璃的零真空間隙解決方案

這項研究的出現，部分是因為這個團隊想要挑戰極限。但為了取得成功，他們必須修改現有的熱光電（TPV）設計并采用不同的方法。

“說到熱光電設備，有兩個主要的性能指標：效率和功率密度，”崔說道。“大多數人都盯著效率。然而，我們的目標是提高功率。”

為此，該團隊在他們的熱光電設備設計中采用了所謂的“零真空間隙”解決方案。與其他在熱源和太陽能電池之間設有真空或充有氣體間隙的熱光電模型不同，他們的設計里，間隔物就只用玻璃做，這間隔物絕緣、折射率高，還紅外透明。

這就創建了一個高功率密度通道，該通道能讓熱波在裝置中傳播而不損失強度，從而大幅提升發電量。這種材料還非常便宜，這是該裝置的主要賣點之一。

“以前，人們想要提高功率密度時，就必須提高溫度。比如說從1500℃提高到2000℃。有時甚至更高，這最終會讓整個能源系統無法承受且不安全，”崔（音譯）解釋道。

“現在我們可以在較低的、適合大多數工業流程的溫度下工作，同時仍然能產生與以前相近的電力。我們的裝置在1000℃下運行，產生的功率相當于現有間隙集成熱光電（TPV）裝置在1400℃下產生的功率。”

該團隊還表示，他們的玻璃設計只是冰山一角。其他材料可以幫助該裝置產生更多的電力。

“這是這種全新的熱光電（TPV）概念的首次展示，”哈比比解釋說。“但如果我們使用另一種具有相同特性的廉價材料，比如非晶硅，功率密度就有可能進一步提高，幾乎能提高近20倍。這就是我們接下來想要探索的方向。”

更廣泛的商業影響

崔表示，他們這種新的熱光電設備將通過讓便攜式發電機得以實現以及讓高排放重工業脫碳，從而產生最大的影響。一旦優化，它們就有能力改變高溫工業流程，例如利用更廉價、更清潔的電力生產玻璃、鋼鐵和水泥。

“我們的設備采用的是已經存在的商業技術。它可以自然地擴大規模，從而應用于這些行業，”崔說。“我們能回收廢熱，還能在較低工作溫度下，用這個設備提供它們所需的能量存儲。”

“我們基于這項技術的一項專利正在申請中，在發電和熱回收領域推動這種可再生能源創新是非常令人興奮的。”