利用太陽能、風能乃至地熱能等可持續能源發電，如今早已不是什么新鮮事，但是通常也會面臨一些明顯的短板問題，例如，太陽能在夜間就沒辦法發電。

而一般來講，夜間才是人們用電的高峰期，那有沒有一種可以全球普適的、相對廉價的新發電方式，利用地球夜間的某種能量就能發電？這并不是異想天開，來自斯坦福大學的一個華人研究小組就實現了這種想法。

研究人員提出了一種利用地球 “輻射冷卻” 效應的高效發電系統，該系統利用輻射制冷的原理，將熱量投射到寒冷的宇宙中，再與熱電技術相結合，在無法獲得太陽能的夜間發出電來。

通過多層材料和結構的創新，研究人員使用熱電發生器 (TEG) 可以實現每平米超過 2W 乃至 3W 左右的功率密度，這比此前業界報道的相同原理的實驗結果高出兩個數量級，是該領域的巨大突破，足以為一些 LED 照明器件、模塊化傳感器等持續供電。

當然，這一數據與太陽能每平米 180W 左右的功率密度相差很大，意味著相關研究未來的應用場景，更可能是太陽能之外的一種可再生能源補充。

該研究日前發表在美國光學協會（OSA）的《光學快報》（Optics Express）上，使低成本高效率的夜間發電技術成為可能，論文的第一作者范鈴羚是南京大學物理系畢業生，2018 年入學斯坦福大學攻讀博士，今年 23 歲，師從華裔科學家、斯坦福大學電子工程教授范汕洄，所在的研究小組涉及等離激元學、超材料、硅光子學、光伏、量子光學和計算電磁學等多項交叉的基礎科學和應用研究。

何以夜間持續發電？

想必很多人都比較好奇，這種利用 “輻射冷卻” 來發電的技術原理是怎樣的？范鈴羚對 DeepTech 解釋說：“通俗來講，這套系統利用的是一種熱量的‘定向流動’，把溫差轉化成電能。”

這里有一個概念叫輻射制冷，是指物件透過輻射散去熱能的過程。在氣象學上，地球表面所吸收的太陽熱能到了夜晚會向天空發射出長波輻射，進而地表的溫度會快速冷卻，產生所謂的“輻射冷卻效應”。

利用這樣的原理，這套夜間發電系統的能量 “進口” 是來自于地球夜間的大氣，比如夏天氣溫可以達到三十八九度，通過熱端材料能夠給這個系統輸入能量，而冷端的輸出就是如何把能量最高效地發射到外太空。

范鈴羚表示，這里的關鍵是通過一些材料的設計創新實現了選擇性消光，簡單來說，就是把熱端的能量集中在一些特定的波段和角度進行發射，這樣就能克服大氣層的吸收以及一些其他的消耗，把能量最高效地發射到外太空去。

于是在系統的熱端 - 冷端之間，就出現了一個非常恒定的溫度差。得益于材料和裝置創新，這套系統能夠把熱量盡可能多地輸入進來，也能夠把熱量最大化地發射到外空去，然后就有了熱量的流動，在進和出這兩端就形成溫差，有了溫差就能通過材料內部的熱電轉化部件利用塞貝克效應（也稱第一熱電效應），直接將熱能轉化為電能。

熱電轉化部件具有體積小、無噪聲、可靠性高等特點，被業界認為是一種綠色環保的發電方式，而現在與輻射冷卻技術的結合碰撞，激發了更多的科研思路，讓一些看似不可能的事情正在發生。

完全沒有其他的能源消耗，就能夠利用溫差可持續產生電，是不是有點兒不可思議？范鈴羚介紹，這項研究的基礎其實是在導師此前的研究成果上的一種延展。

范汕洄團隊早在 2013 年提出了一種 “輻射制冷” 技術，2014 年曾發表在《自然》上，在雜志封面也曾被提及，那是一種無需任何電力輸入即可進行冷卻的被動制冷策略，研究人員發明了一種集成光子太陽反射器和熱發射體組成的 7 層材料薄膜，把這種薄膜置于建筑物屋頂，就能讓建筑物內部的熱輻射遠紅外光（8-13 微米）散發出去，同時還能反射外部太陽光，實驗證明，在直射陽光下，輻射冷卻材料能實現低于周圍空氣溫度近 5 攝氏度的效果。

回顧當時的論文，其實有一句話非常有趣：宇宙中的寒冷與黑暗可以用作可再生的熱力學資源。

這句話可以解釋接下來的另一個重要疑惑：既然是利用所謂的 “溫差” 來夜間發電，那么這個發電系統在冬天或夏天氣溫差距很大的條件下，發電效率是否會大幅受到影響？這直接關系到這項技術的實際應用性。

范鈴羚表示，通常情況下，氣溫如果太低，材料的發電效率確實會降低一些，但在這項研究中并沒有觀察到明顯的降低，原因是通過真空裝置和多層膜結構強化對流效應去克服，就目前整套系統來說，在我們能考慮到的溫度區間內，發電的效果一般都沒有特別大的變化。

具體而言，我們常識里所談論的氣溫是攝氏度（°C）單位，而熱力學溫標叫做開爾文（K），攝氏度以冰水混合物的溫度為起點，開爾文則是以絕對零度作為計算起點，即 - 273.15℃=0K，因此，在換算上：[K] = [°C] + 273.15

重點來了，太空的 “溫度” 一般被認為是 3K 微波背景輻射 (-270°C，接近絕對零度）。因此，外太空始終是一個非常低且持續穩定的“冷端”，而在地球上，零下或者零上三四十攝氏度可能已經逼近人類居住地的氣溫極限了，但這幾十攝氏度的溫差相對于太空 3K 的溫度來講，地球溫度一直都是 230K 到 300K 左右的熱端，用于制冷發電的熱機兩端的溫差總是遠遠大于地表溫度的波動，因此地球四季氣溫的變化，對這套夜間發電系統的性能而言影響并不是很大，完全可以通過材料或裝置創新進行克服彌補。

這便是為什么說 “宇宙中的寒冷與黑暗可以用作可再生的熱力學資源” 的緣由。

關于這項研究的創新點和突破點，范鈴羚對 DeepTech 表示，這套發電系統其實是做了一次系統性的優化，發電性能相比業界此前的研究提升了約 120 倍。而這種計算結果需要對多方面參數進行組合優化，例如對流系數、材料的消光系數、熱電材料的轉化效率以及內部能量消耗的控制等，研究人員優化了熱電發電的每個步驟，然后進行組合試驗尋求最優值。

除了上文提及創新設計了一種選擇性 “發射器”，該“發射器” 連接在發電系統的冷端，大幅提升了輻射冷卻過程，另外一個創新點就是在這次材料優化方面運用了機器學習的方法，來尋找最優材料組合，比如材料種類以及多層結構的厚度等，以產生最佳的共振效果。

盡管最終的研究結果還算令人滿意，但這項研究讓范鈴羚印象最深刻的經歷，卻是一次“紕漏”。

“我最開始的時候對于熱電知識了解其實比較有限，這項研究總共做了大概一年多，研究最開始我模擬出來一個性能非常好的發電功率，一般來說，大家對性能表現這么好的材料都會非常驚訝，但是我科研組內的老師包括比我年長的師兄們，他們說你應該忽略了一些內部能量損耗，然后我又重新來思考了這項研究。”

運用熱電效應將溫度差直接轉換成電能，目前大致上轉換效率約為 5%-8%，而此前參考的很多研究論文并未提及內部消耗的參數，因此在研究初期，范鈴羚沒有把消耗參數維度考慮在內。

“這件事讓我得到了一個‘教訓’，就是別人的論文里說明了一些東西，我們在新的實驗情況下，需要重新去審視它，例如內部的損耗情況到底能不能忽略，不能全部就認為前人是對的。”范鈴羚說。

這套發電系統也許還有更大的性能提升空間。范鈴羚認為，如果能做 100 層的膜結構優化（本研究中是 7 層材料薄膜），得到的材料也許會更好。那樣的話，可能會真正利用機器學習去計算大量材料參數組合對比，這次研究中其實并沒有用到很復雜的具體算法，只是用了一些機器學習的思路，然后找到了一些團隊認知范圍內的理想材料。

這套夜間發電裝置的未來比較依賴更好的材料發現，尋找更具性價比的材料來實現更好的性能，目前這項研究相當于是從 0~1 的突破，初步實現利用地球 “輻射冷卻” 效應來在夜間高效發電。

圖｜夜間最佳輻射冷卻發電系統（來源：OpticsExpress ）

24 小時可持續發電的新思路

提到下一步研究，范鈴羚的設想是把這套發電系統跟太陽能發電結合起來，然后做出一個 24 小時都能夠發電的裝置。這可能需要輻射冷卻系統的熱端和冷端進行自動的交替重置，好處是，這項發電技術不需要儲能裝置，可直接連接到普通 LED 燈乃至路燈提供電能。

另外，這項研究還探索了在不同熱對流條件和 TEG 參數下，對發電系統的影響，從論文結論來看，降低冷端有效對流系數具有最大的改善系數，其次是增大熱電優值（ZT）系數，然后增大熱端對流系數，而改變 TEG 與輻射冷卻器的面積比影響較小，證明這套系統可以實現接近卡諾熱機設定的熱力學極限的性能。

從應用層面來說，范鈴羚表示，最大規模應用還是為居民日常照明供電提供新的可能，尤其是對于那些偏遠農村或是比較落后的國家地區，當地沒有發達完善的電網，也沒條件建設太陽能、風能發電裝置，這種低成本可持續的發電裝置就能滿足基本的照明需求；另一個主要的商業應用領域可能在工業界，比如很多移動通信基建中的低功耗傳感器，該方式可作為一種低成本供能的補充方案。