古時(shi)候，當(dang)出航的(de)水(shui)手們被困在(zai)無(wu)風的(de)海面上時(shi)，他們總會發出這樣的(de)哀嘆(tan)：“水(shui)，到處都是水(shui)，卻(que)沒有(you)一滴(di)能解(jie)渴”。進入現代社會，我們似乎也在(zai)面臨類似的(de)窘境(jing)：人(ren)(ren)類四圍的(de)環境(jing)中(zhong)充滿豐富的(de)能量(liang)：風、陽(yang)光、潮汐和熱，但目前卻(que)難以被人(ren)(ren)類輕易利用(yong)。近些年來(lai)，在(zai)風力發電(dian)機、太陽(yang)能電(dian)池板等獵取可再生能源的(de)裝備得到快(kuai)速發展的(de)同時(shi)，也有(you)不(bu)少科學家(jia)在(zai)研究(jiu)如何(he)回收利用(yong)大氣中(zhong)無(wu)處不(bu)在(zai)的(de)熱量(liang)，試圖讓這些時(shi)刻產(chan)生、但卻(que)被人(ren)(ren)類忽(hu)略的(de)能量(liang)為人(ren)(ren)類所用(yong)。

可利用廢熱隨處可見

在一(yi)些領域，人們已經開始嘗試用(yong)簡(jian)單的(de)(de)方(fang)法利(li)用(yong)“廢”熱(re)(re)(re)，例如用(yong)仍有較高(gao)溫度的(de)(de)廢水為(wei)地熱(re)(re)(re)取暖(nuan)或融化私家車道上(shang)的(de)(de)結冰(bing)。“熱(re)(re)(re)電聯動(dong)”電廠則(ze)更為(wei)高(gao)級一(yi)些，即在發(fa)電的(de)(de)同時利(li)用(yong)余熱(re)(re)(re)為(wei)附近的(de)(de)住戶供暖(nuan)。在工業(ye)生產中(zhong)，鍋爐和大型制冷設備產生的(de)(de)余熱(re)(re)(re)有時也被回收用(yong)于其它地方(fang)，以降低供熱(re)(re)(re)成本(ben)。國(guo)外(wai)部(bu)分環保意識強烈(lie)的(de)(de)人士已開始在家中(zhong)安裝 “空氣源熱(re)(re)(re)泵”，利(li)用(yong)從室外(wai)空氣中(zhong)提取的(de)(de)熱(re)(re)(re)量保持室內的(de)(de)溫度。

如(ru)果(guo)說這些(xie)嘗試只是“小(xiao)打小(xiao)鬧”，那(nei)么美(mei)(mei)國印第安納州圣母大(da)學的電(dian)腦(nao)專家(jia)保羅(luo)·布雷納則是在(zai)“動真格(ge)”的。眼下(xia)電(dian)腦(nao)已(yi)經非常普及，每個人都(dou)能切身體會(hui)到電(dian)腦(nao)運行(xing)時排氣孔散(san)發出(chu)的熱量。為了讓電(dian)腦(nao)正(zheng)常運轉，這些(xie)熱量必須通過風扇(shan)等(deng)散(san)熱設備(bei)排出(chu)，而風扇(shan)的轉動同(tong)樣需(xu)要耗費電(dian)力。隨著電(dian)腦(nao)性能的提升，散(san)熱的用電(dian)需(xu)求也同(tong)步(bu)增長。據美(mei)(mei)國環境保護署（EPA）的預(yu)測數據，到2011年，全美(mei)(mei)在(zai)服務器供(gong)電(dian)和冷卻上的花費將(jiang)從(cong)2006年的45億(yi)美(mei)(mei)元(yuan)增長到74億(yi)美(mei)(mei)元(yuan)。如(ru)果(guo)能將(jiang)這些(xie)對(dui)電(dian)腦(nao)而言(yan)毫無用處的熱量再利(li)用，顯然能夠大(da)幅節約成本。

布(bu)雷(lei)納(na)和(he)他的(de)(de)研究團隊正在嘗試讓(rang)計算機散發(fa)的(de)(de)余(yu)熱成(cheng)為(wei)室(shi)內采暖系統(tong)的(de)(de)一(yi)部分。為(wei)了驗(yan)(yan)證這一(yi)構想(xiang)(xiang)是(shi)否可(ke)行，他們在圣母大(da)學一(yi)間(jian)閑置的(de)(de)辦公室(shi)內架設了若干臺服(fu)(fu)務器(qi)，服(fu)(fu)務器(qi)的(de)(de)另一(yi)端(duan)連接著(zhu)校園(yuan)機房中用于大(da)數據量(liang)計算的(de)(de)主電腦(nao)上。當辦公室(shi)內的(de)(de)溫度(du)偏低時，服(fu)(fu)務器(qi)便會(hui)向(xiang)計算機發(fa)出(chu)信(xin)號，要求后者啟動該服(fu)(fu)務器(qi)進(jin)行工作；一(yi)旦(dan)房間(jian)溫度(du)上升到一(yi)定區間(jian)時，就會(hui)再次發(fa)出(chu)信(xin)號，暫(zan)停(ting)使用服(fu)(fu)務器(qi)。實(shi)驗(yan)(yan)證明布(bu)雷(lei)納(na)的(de)(de)設想(xiang)(xiang)是(shi)可(ke)行的(de)(de)，房間(jian)始終保持著(zhu)舒適的(de)(de)溫度(du)，熱量(liang)的(de)(de)來源并不(bu)是(shi)空調，而是(shi)服(fu)(fu)務器(qi)散發(fa)出(chu)的(de)(de)廢熱。

現在布雷納(na)已將這一(yi)技(ji)術運用在了圣母大學的植(zhi)(zhi)物(wu)園(yuan)(yuan)內。通過4個服務器(qi)機柜(ju)，植(zhi)(zhi)物(wu)園(yuan)(yuan)溫室的溫度得到了保(bao)證，與(yu)之相對應的是，圣母大學每年因此節省了3.8萬美元的服務器(qi)冷(leng)卻費用，同時植(zhi)(zhi)物(wu)園(yuan)(yuan)的燃氣費支出減(jian)少了1.56萬美元。

余熱發電是終極應用

布雷(lei)納的(de)創(chuang)意(yi)雖然(ran)取得了成(cheng)功，但(dan)與自然(ran)界(jie)海量(liang)的(de)余熱相比，植物(wu)園的(de)應(ying)用規(gui)模實在(zai)(zai)太(tai)小(xiao)。我們知道，電(dian)是(shi)能源最理想的(de)傳輸方(fang)式，將余熱轉(zhuan)換(huan)為電(dian)能才(cai)是(shi)終極應(ying)用。目前美(mei)國愛(ai)荷華(hua)州國家實驗(yan)室(shi)正(zheng)在(zai)(zai)進行這(zhe)方(fang)面(mian)的(de)研究。通(tong)常這(zhe)種(zhong)(zhong)熱電(dian)轉(zhuan)化需要通(tong)過(guo)熱電(dian)偶實現的(de)，熱電(dian)偶是(shi)一(yi)種(zhong)(zhong)被(bei)(bei)廣泛應(ying)用的(de)溫度傳感器，由兩層不同的(de)金(jin)屬構成(cheng)，當其(qi)中一(yi)層比另一(yi)層溫度高時，兩層金(jin)屬間就會產(chan)生電(dian)流(liu)。但(dan)愛(ai)荷華(hua)州國家實驗(yan)室(shi)的(de)科學家史蒂芬·諾瓦(wa)克(ke)、戴爾·科特則正(zheng)在(zai)(zai)研究一(yi)種(zhong)(zhong)更加(jia)新奇的(de)方(fang)法——使用一(yi)種(zhong)(zhong)由黃金(jin)或鎳鉻合(he)金(jin)為材料制成(cheng)的(de)、被(bei)(bei)稱為“納米天線”的(de)裝置來實現熱電(dian)轉(zhuan)換(huan)。

物體(ti)受(shou)熱(re)時會散發出(chu)紅外射(she)線(xian)，黃(huang)金(jin)或鎳鉻(ge)合金(jin)中(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)子受(shou)到這種(zhong)輻射(she)便會產生(sheng)振動。電(dian)(dian)子振動緊(jin)接著會產生(sheng)可被利用的(de)(de)交變電(dian)(dian)流。雖然單(dan)個納米天(tian)線(xian)中(zhong)生(sheng)成(cheng)(cheng)的(de)(de)電(dian)(dian)流很小(xiao)，但大量納米天(tian)線(xian)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)陣列就足以(yi)產生(sheng)不小(xiao)的(de)(de)電(dian)(dian)量。納米天(tian)線(xian)本(ben)身采(cai)用大規(gui)模印(yin)壓法工(gong)藝(yi)制(zhi)成(cheng)(cheng)，在(zai)略(lve)微加熱(re)的(de)(de)塑料(liao)薄片(pian)上壓制(zhi)其基層結構。基層結構成(cheng)(cheng)型后，再(zai)往(wang)壓出(chu)的(de)(de)凹(ao)槽里涂鍍金(jin)屬層。由于只需要涂鍍少(shao)量的(de)(de)金(jin)屬，所以(yi)最終的(de)(de)產品價格不高，并且(qie)具有很好的(de)(de)延(yan)展性(xing)。

不(bu)過(guo)納(na)米(mi)天(tian)線(xian)的(de)實際應(ying)用(yong)也面臨著(zhu)一個難題(ti)，即(ji)產生的(de)交流(liu)(liu)電(dian)頻率(lv)過(guo)高(gao)。美國使用(yong)的(de)交流(liu)(liu)電(dian)頻率(lv)為60赫茲，而納(na)米(mi)天(tian)線(xian)產生的(de)電(dian)流(liu)(liu)頻率(lv)則高(gao)達3000億赫茲。若要(yao)使用(yong)這種超高(gao)頻電(dian)流(liu)(liu)，需(xu)要(yao)將納(na)米(mi)天(tian)線(xian)與整流(liu)(liu)器(qi)配(pei)套使用(yong)。但目前市(shi)面上的(de)整流(liu)(liu)器(qi)只能應(ying)付(fu)頻率(lv)為10億赫茲的(de)電(dian)流(liu)(liu)。

為了解決這個(ge)問(wen)題，諾瓦(wa)克(ke)與(yu)他(ta)的同事(shi)正試驗(yan)在納米天線中嵌入一(yi)個(ge)納米級別(bie)的二(er)極管。二(er)極管是一(yi)種只允(yun)許電流(liu)(liu)單向流(liu)(liu)動的元(yuan)件，經過(guo)二(er)極管后(hou)，高(gao)頻的交流(liu)(liu)電就變成了易于處理的直流(liu)(liu)電。研(yan)究人員希(xi)望增加這一(yi)元(yuan)件后(hou)能使他(ta)們的余熱利用技術變得現實(shi)可(ke)行(xing)。

光伏電池的新天地

除了納米天線(xian)，另一個(ge)正在探索中(zhong)的(de)(de)(de)余熱回(hui)收方式是(shi)利用類似太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)板的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)伏(fu)電(dian)(dian)池(chi)捕捉紅外線(xian)。光(guang)(guang)(guang)伏(fu)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)工(gong)作原(yuan)理是(shi)通過一簇(cu)簇(cu)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)量子(zi)(zi)(zi)將原(yuan)子(zi)(zi)(zi)中(zhong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)撞擊出來(lai)成(cheng)為自由電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，這些自由電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)接下來(lai)便會形成(cheng)電(dian)(dian)流。光(guang)(guang)(guang)伏(fu)電(dian)(dian)池(chi)通常對(dui)光(guang)(guang)(guang)譜中(zhong)的(de)(de)(de)可(ke)見(jian)光(guang)(guang)(guang)和(he)紫外線(xian)波段(duan)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)最(zui)為敏(min)感(gan)，但高頻(pin)紅外光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)也能(neng)激發電(dian)(dian)流。

然而只有那(nei)些運動方(fang)(fang)向與發熱材(cai)料表面成近乎完美直角的(de)(de)光(guang)子(zi)可逃逸材(cai)料表面而發射出來，其它(ta)任何角度(du)的(de)(de)光(guang)子(zi)在碰到表面時都(dou)會被反彈回來。苛刻的(de)(de)條件使得放置在發熱物(wu)體(ti)附近的(de)(de)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)每平方(fang)(fang)厘米只能(neng)夠產生大約(yue)0.02瓦(wa)的(de)(de)電(dian)力，而吸收太陽光(guang)的(de)(de)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)每平方(fang)(fang)厘米可產生20瓦(wa)的(de)(de)電(dian)力。

位(wei)(wei)于美國(guo)波士頓(dun)的(de)(de)高(gao)科技公(gong)司MTPV正試圖解決這(zhe)一(yi)問題。MTPV科學家鮑勃·迪馬特奧領導的(de)(de)研究小(xiao)組發(fa)(fa)現，如果將光(guang)伏電(dian)(dian)池(chi)放在距碳化硅合金(jin)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)發(fa)(fa)熱(re)表面幾百納米遠的(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)，情(qing)況(kuang)就(jiu)會(hui)發(fa)(fa)生變化。當電(dian)(dian)池(chi)與發(fa)(fa)熱(re)體(ti)間的(de)(de)距離(li)小(xiao)于合金(jin)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)紅外輻射(she)波長時，光(guang)子就(jiu)不(bu)會(hui)被材(cai)料(liao)(liao)表面反彈回來，而是直接進(jin)入電(dian)(dian)池(chi)內。在這(zhe)種情(qing)況(kuang)下，光(guang)伏電(dian)(dian)池(chi)每平(ping)方厘米能夠產(chan)生5至10瓦(wa)的(de)(de)電(dian)(dian)量。研究人員認為，這(zhe)項技術應用潛力主要集中在要求高(gao)溫的(de)(de)行業中，比如玻璃(li)制造(zao)，或在發(fa)(fa)電(dian)(dian)站附近回收廢熱(re)。

除了MTPV，目前美國麻省(sheng)理工大學也(ye)在(zai)進(jin)行類似研(yan)究。該校研(yan)究人員在(zai)近(jin)期(qi)出版(ban)的《應用物(wu)理》上刊文稱，他們改(gai)變(bian)了電池的設計，在(zai)普通(tong)半(ban)導(dao)體材(cai)料的夾層中加入極細(xi)的金屬絲(si)，使自由電子通(tong)過這(zhe)些金屬絲(si)聚集和導(dao)出，形(xing)成電流。雖然這(zhe)種新(xin)元件還(huan)處于(yu)試驗(yan)階段(duan)，但按照該研(yan)究小組計算，這(zhe)種元件的熱(re)電轉化率(lv)可以(yi)達到每(mei)平方厘米(mi)100瓦(wa)。在(zai)科技發展日(ri)新(xin)月(yue)異的今天(tian)，在(zai)不遠的未來(lai)，我們或許會看到，余熱(re)將成為與太(tai)陽能、風能等并駕(jia)齊驅的又一個新(xin)能源。

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