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全球7大前沿技术

全球7大前沿技术，让太阳能电池效率翻番？

（1）

2012-03-2022:

33:

45   来源:

电子发烧友  

关键字：

太阳能电池清洁能源前沿技术

　　7大颠覆性技术破解能源危机

　　能源技术：

　　科学家和工程师们正在开发一系列看起来渺茫，却有望彻底解决能源危机的新技术。

　　利用原本危险的核废料作燃料，建成一个核裂变反应堆——它先由激光驱动产生核聚变爆炸，再由爆炸触发裂变反应，于是产生出一种新能量；而一种新的设备能将阳光和二氧化碳转化为燃料，取代汽油。

　　一种将为制冷机带来革命的磁体，以及能降低汽车油耗的记忆合金，将使能源利用率大幅提高。

　　也许这些新技术最终成功的可能性只有10%，但如果其中任何一种成为现实，能源利用率和安全水平就会得到极大提高。

　　许多人都在研究如何更有效地利用可再生能源及如何提高能源效率，这固然很好，然而，大多数研究成果可能只是对现有技术设备的一些有限改进。

我们需要从根本上彻底改变能源开发和利用的现状。

　　多年来，科学家和工程师为我们构想了一幅幅美妙画面：

太空中，卫星吸收太阳光的能量，再将能量束传导回地面上的接收站；飘浮在大气层中的风力发电机……然而，幻想总要落实到现实。

最近一些可观的政府或私人资金投入了这些研究，来帮助关键领域中各种各样的长远技术研发。

接下来介绍的这些项目，都是最有可能得到回报的范例。

当然，前提是它们的发明者能跨过重重障碍，并最终使科学成果投入大规模生产。

　　新反应堆

　　以聚变触发裂变

　　利用激光从核废料中榨取电能

　　新反应堆以聚变触发裂变

　　自然界中，太阳的光和热源自核聚变；氢弹的能量也来自核聚变。

物理学家和工程师数十年来也一直在努力研究如何通过核聚变发电。

现在，研究人员能够轻松制造出可控核聚变反应——只要让氢原子核足够猛烈地碰撞压缩到一起，它们就会融合，并释放出中子和能量。

然而，要让核聚变用于发电，就必须做到更高效，以使反应所释放的能量大于触发反应（被称为“点火”）所需的能量，这是科学界的一道难题。

　　因此，美国利弗莫尔国家实验室国家点火装置（NationalIgnitionFacility）的科学家设计出一套新方案：

用核聚变来驱动裂变，利用原子分裂产生的能量来驱动传统核反应堆。

该实验室主任爱德华·摩西（EdwardMoses）声称，利用这一机制运作的实验性核电站有望在20年内建成。

　　根据利弗莫尔实验室的构想，要先在一个反应室的内壁上排放一厚层铀或其他核燃料，然后利用激光脉冲在反应室内触发核聚变爆炸，放射出的中子轰击到内壁上的核燃料后，会使其中的原子分裂。

这可以将反应室的能量输出提升3倍，甚至更多。

　　和平利用核聚变驱动裂变概念的提出，要追溯到上世纪50年代。

当时，苏联的氢弹之父安德烈·萨哈罗夫（AndreiSakharov）首次提出了这个设想。

　　既然大部分能量仍来自裂变，为什么不继续使用传统核电站，却非要不厌其烦地研究由聚变来触发呢？

原因在于，裂变反应堆要依赖于链式反应，即裂变的原子释放出的中子会触发更多原子发生裂变。

想要维持链式反应的进行，就必须用钚或浓缩铀作为燃料，这两种材料都能用于生产核武器。

　　液体燃料太阳能燃料

　　太阳每一个小时照射到地球上的能量，就比人类一年消耗的能量还多。

如果科学家能够将过剩太阳能转化为液体燃料，哪怕只是一小部分，就能解决我们对化石燃料的依赖，以及由此带来的种种问题。

“如果能有效、经济地利用太阳能来制造化学燃料，就能彻底改变能源现状，”美国加州理工学院人工光合作用联合研究中心主任内森？

刘易斯（NathanLewis）评论说。

　　其中美国桑迪亚国家实验室（SandiaNationalLaboratories）开展的一项尝试非常吸引人。

他们在新墨西哥州的沙漠中安装了一些直径6米的圆盘状镜面，能将太阳光聚集到安放在盘面前方的一个半米长、形状像啤酒桶的圆柱形仪器上。

太阳光被这些镜面聚焦后，从仪器表面的一个窗口射入，照射到里面12个以每分钟一圈的速度旋转的同轴圆环上。

圆环的边缘是以齿状排列的氧化铁（铁锈）或氧化铈，它们依次旋转进光束，并被加热到1500℃，如此高的温度能驱出铁锈里的氧。

当转到反应室较冷的暗处时，它们又能从注入反应室里的水蒸气或二氧化碳中把氧吸回去，剩下富含能量的氢气和一氧化碳。

　　这样产生的氢气—一氧化碳混合气体被称为合成气（syngas），它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子层面的基本原料。

燃烧生成的合成气所释放的二氧化碳，还能被该过程全部吸收。

美国高级研究计划局能源项目部主任阿伦·麦琴达尔（ArunMajumdar）评论说，这种太阳能燃料系统“可谓一石四鸟”，即带给我们更清洁的能源供应，更高的能源保障，更低的二氧化碳排放和更小的气候变化影响。

　　在其他地方，例如瑞士联邦理工学院（SwissFederalInstituteofTechnology）和美国明尼苏达大学，研究人员也在研发生产合成气的设备。

还有一些新兴公司同时在寻求其他途径来达到类似目标，例如位于马萨诸塞州的SunCatalytix公司将一种廉价催化剂泡入水中，并利用太阳能电池板产生的电力，来制备氢和氧，新泽西州LiquidLight公司将二氧化碳气体导入一种电化学反应池来产生甲醇。

此外，刘易斯本人也正在研制一种“人造树叶”（参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶：

阳光变燃料》），它由一种半导体纳米线制成，能利用阳光将水分解成氢和氧。

　　当然，主要困难还是在实际应用上。

在桑迪亚实验室，齿状氧化物总是破裂，阻碍了反应进行。

“你让（氧化物）材料在1500℃和900℃之间来回转，这对它们的要求很高，”亚利桑那州立大学LightWorks计划主任、未参与该项研究的化学家加里·德克斯（GaryDirks）评论说。

下一步计划是，在纳米尺度上加固氧化物的结构，或找到更合适的材料；圆盘状镜面的高昂造价也需要降低。

根据桑迪亚实验室研究人员的计划，他们的合成气制造机能够生产出成本为10美元/加仑（约2.65美元/升）的燃料。

“我们并非做不到这一点，但我们还有很长的路

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（2）

2012-03-2022:

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电子发烧友  

关键字：

太阳能电池清洁能源前沿技术

要走。

”化学工程师詹姆斯？

E？

米勒（JamesE.Miller）说，他也是这项技术的发明者之一。

　　电力生产

　　量子光电池

　　热电子能让太阳能电池的效率翻番

　　电力生产量子光电池

　　目前市场上的太阳能电池，只能将接收到的阳光能量的10%至15%转化为电能，以致发电成本居高不下。

原因之一是，单层硅吸收阳光的效率，理论上限大约是31%（实验室中最好的光电池可以达到26%）。

而对半导体晶体（或称为“量子点”）的新研究表明，这一理论上限可以提高到60%以上，这为开发低成本发电设备带来了希望。

　　在传统光电池中，硅中的电子被射入的光子击出而成为自由电子，能够自由地流入导线，从而产生电流。

不幸的是，阳光中许多光子能量太高，当它们击打到硅上时，会产生一种“热电子”，它们会以热的形式迅速损失能量，在被导线捕捉到之前又重新回到初始状态。

如果能在热电子冷却前就捕捉到它们，那么光电池的效率上限就会翻一番。

　　解决方案之一是降低电子的冷却速度，为捕捉它们赢得更多时间。

去年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳（XiaoyangZhu，音译）和同事将注意力投向了一种量子点，每一个点只包含数千个原子。

他们将硒化铅量子点沉积在一层导电的二氧化钛（一种普通材料）上。

当光线照在上面时，所产生的热电子损失能量所需的时间要比原先长了1000倍。

美国圣母大学（UniversityofNotreDame）的普拉山特·卡马特（PrashantKamat，未参与此项研究）评论道，朱晓阳的团队“确实证明了这一设想是可能实现的”。

　　然而，延缓电子能量损失仅仅是一个方面。

目前，朱晓阳的团队正在寻找能让导体将尽可能多的热电子转化为电流的方法，这样，导体本身才不会将它们以热量的形式吸收。

　　在最终得到实用的太阳能电池之前，还有许多困难需要克服。

朱晓阳说，“我们需要建立一整套物理理论”，包括热电子究竟如何冷却，它们怎样流入导体等等。

他说：

“一旦解决了所有这些问题，我们就会知道最终应该使用什么材料。

”朱晓阳预计，这项工作“需要一些时间，但是我有信心取得成功。

我希望看到这些新型太阳能电池板安装在自家屋顶上”。

该项目的商业回报将十分可观。

　　废热利用

　　热力发电机

　　形状记忆合金利用废热带来额外能量

　　废热利用热力发电机

　　在美国，人们消费的能源中，有60%白白浪费掉了，其中大部分以热的形式从汽车排气管和发电厂的烟囱中逃走。

通用汽车公司的科学家正试图利用一种被称为“形状记忆合金”（shape-memoryalloys）的新型材料，来捕捉这些宝贵的能量。

形状记忆合金能将热能转化为机械能，进而产生电力。

该研究组组长艾伦·布朗（AlanBrowne）的第一个目标是，回收汽车排气系统中散发的热能，驱动车载空调或音响系统。

　　布朗计划使用由数条平行的镍—钛合金薄线组成的合金带来收集热能，它能“记住”某种特定形状。

所有形状记忆合金都能在两种状态之间来回变换：

在较高温度下较坚硬的本态与较低温度下更为柔韧的状态。

在这个设计中，合金带绕过呈三角形排列的3个滑轮。

其中一角处的合金带接近炽热的排气系统，而另一角则位于温度较低的远端。

合金带在高温处收缩，低温处伸张，就会让自己沿这个三角环路转动并带动滑轮旋转，进而通过轴承驱动发电机。

温差越大，环路转动越快，产生的能量也就越多。

　　通用汽车公司制造的原型机由一条仅10克重的合金带来产生两瓦特功率，可以点亮一盏小灯。

布朗声称，10年内，这种发电机产生的功率就会提高到商用的标准。

他还补充说，为家用电器或发电厂冷却塔安装这种记忆合金热力发电机，不存在任何技术障碍。

该项目的合作者、美国HRL实验室的材料科学家杰夫·麦克奈特（GeoffMcKnight）说，这种合金为先前被认为是无法实现的一些应用领域开辟了新天地，因为即使温差只有10℃，它们也可以使用。

　　通用汽车公司的设计并不复杂，但离实用仍很遥远。

形状记忆合金容易疲劳，会变得脆而易碎；需要连续处理3个月才能重新回到“本态”的形状记忆；合金线很难组合成带；如何解决利用空气来有效加热和冷却合金带也是一个挑战。

布朗没有具体说明目前如何解决这些问题，而只提到他们不断调整合金线的直径、形状，以及加热和冷却的方式。

换句话说，他们正在调试“科学上的和人能想象得到的”所有参数。

　　通用汽车公司并不是唯一一家试图利用废热来产生能量的机构。

美国伊利诺伊大学的桑吉夫·辛哈（SanjivSinha）正在研发一种可弯曲的固态材料，它也能将热力转化为电能。

如果热力发电机能被安装在现有或未来的设备中，它就会有近乎无限的应用前景：

从数千座的冷却塔和工业锅炉，到数以百万计的家用暖气、冰箱和烟囱，还有拖拉机、卡车、火车和飞机。

全世界会有数百亿亿焦耳的能量可以被回收利用，极大降低化石燃料的消耗。

　　车辆工程

　　冲击波汽车发动机

　　汽车油耗将降低80%

　　车辆工程冲击波汽车发动机

　　一个多世纪以来，几乎所有轿车和卡车都使用的是活塞式发动机。

即便是目前最新型的混合动力车，以及雪佛兰沃尔特电动车这样的全新概念车，也都还在使用小型活塞式发动机来提供动力和为电池充电。

然而，美国密歇根州立大学正在研发一种完全不同的、不使用活塞的发动机。

它被称为波—转子发动机（wave-diskengine）或冲击波发动机（shock-waveengine）。

如果取得成功，未来混合动力汽车的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大学机械工程教授诺伯特·穆勒（Norbe