電力生產(chǎn)

　　量子光電池

　　熱電子能讓太陽能電池的效率翻番

　　電力生產(chǎn)量子光電池

　　目前市場上的太陽能電池，只能將接收到的陽光能量的10%至15%轉(zhuǎn)化為電能，以致發(fā)電成本居高不下。原因之一是，單層硅吸收陽光的效率，理論上限大約是31%（實驗室中最好的光電池可以達(dá)到26%）。而對半導(dǎo)體晶體（或稱為“量子點”）的新研究表明，這一理論上限可以提高到60%以上，這為開發(fā)低成本發(fā)電設(shè)備帶來了希望。

　　在傳統(tǒng)光電池中，硅中的電子被射入的光子擊出而成為自由電子，能夠自由地流入導(dǎo)線，從而產(chǎn)生電流。不幸的是，陽光中許多光子能量太高，當(dāng)它們擊打到硅上時，會產(chǎn)生一種“熱電子”，它們會以熱的形式迅速損失能量，在被導(dǎo)線捕捉到之前又重新回到初始狀態(tài)。如果能在熱電子冷卻前就捕捉到它們，那么光電池的效率上限就會翻一番。

　　解決方案之一是降低電子的冷卻速度，為捕捉它們贏得更多時間。去年，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)家朱曉陽（Xiaoyang Zhu，音譯）和同事將注意力投向了一種量子點，每一個點只包含數(shù)千個原子。他們將硒化鉛量子點沉積在一層導(dǎo)電的二氧化鈦（一種普通材料）上。當(dāng)光線照在上面時，所產(chǎn)生的熱電子損失能量所需的時間要比原先長了1 000倍。美國圣母大學(xué)（University of Notre Dame）的普拉山特·卡馬特（Prashant Kamat，未參與此項研究）評論道，朱曉陽的團(tuán)隊“確實證明了這一設(shè)想是可能實現(xiàn)的”。

　　然而，延緩電子能量損失僅僅是一個方面。目前，朱曉陽的團(tuán)隊正在尋找能讓導(dǎo)體將盡可能多的熱電子轉(zhuǎn)化為電流的方法，這樣，導(dǎo)體本身才不會將它們以熱量的形式吸收。

　　在最終得到實用的太陽能電池之前，還有許多困難需要克服。朱曉陽說，“我們需要建立一整套物理理論”，包括熱電子究竟如何冷卻，它們怎樣流入導(dǎo)體等等。他說：“一旦解決了所有這些問題，我們就會知道最終應(yīng)該使用什么材料?！?朱曉陽預(yù)計，這項工作“需要一些時間，但是我有信心取得成功。我希望看到這些新型太陽能電池板安裝在自家屋頂上” 。該項目的商業(yè)回報將十分可觀。

　　廢熱利用

　　熱力發(fā)電機

　　形狀記憶合金利用廢熱帶來額外能量

　　廢熱利用熱力發(fā)電機

　　在美國，人們消費的能源中，有60%白白浪費掉了，其中大部分以熱的形式從汽車排氣管和發(fā)電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學(xué)家正試圖利用一種被稱為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來捕捉這些寶貴的能量。形狀記憶合金能將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，進(jìn)而產(chǎn)生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個目標(biāo)是，回收汽車排氣系統(tǒng)中散發(fā)的熱能，驅(qū)動車載空調(diào)或音響系統(tǒng)。

　　布朗計劃使用由數(shù)條平行的鎳—鈦合金薄線組成的合金帶來收集熱能，它能“記住”某種特定形狀。所有形狀記憶合金都能在兩種狀態(tài)之間來回變換：在較高溫度下較堅硬的本態(tài)與較低溫度下更為柔韌的狀態(tài)。在這個設(shè)計中，合金帶繞過呈三角形排列的3個滑輪。其中一角處的合金帶接近熾熱的排氣系統(tǒng)，而另一角則位于溫度較低的遠(yuǎn)端。合金帶在高溫處收縮，低溫處伸張，就會讓自己沿這個三角環(huán)路轉(zhuǎn)動并帶動滑輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過軸承驅(qū)動發(fā)電機。溫差越大，環(huán)路轉(zhuǎn)動越快，產(chǎn)生的能量也就越多。

　　通用汽車公司制造的原型機由一條僅10克重的合金帶來產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點亮一盞小燈。布朗聲稱，10年內(nèi)，這種發(fā)電機產(chǎn)生的功率就會提高到商用的標(biāo)準(zhǔn)。他還補充說，為家用電器或發(fā)電廠冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發(fā)電機，不存在任何技術(shù)障礙。該項目的合作者、美國HRL實驗室的材料科學(xué)家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說，這種合金為先前被認(rèn)為是無法實現(xiàn)的一些應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新天地，因為即使溫差只有10℃，它們也可以使用。

　　通用汽車公司的設(shè)計并不復(fù)雜，但離實用仍很遙遠(yuǎn)。形狀記憶合金容易疲勞，會變得脆而易碎；需要連續(xù)處理3個月才能重新回到“本態(tài)”的形狀記憶；合金線很難組合成帶；如何解決利用空氣來有效加熱和冷卻合金帶也是一個挑戰(zhàn)。布朗沒有具體說明目前如何解決這些問題，而只提到他們不斷調(diào)整合金線的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話說，他們正在調(diào)試“科學(xué)上的和人能想象得到的”所有參數(shù)。

　　通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產(chǎn)生能量的機構(gòu)。美國伊利諾伊大學(xué)的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發(fā)一種可彎曲的固態(tài)材料，它也能將熱力轉(zhuǎn)化為電能。如果熱力發(fā)電機能被安裝在現(xiàn)有或未來的設(shè)備中，它就會有近乎無限的應(yīng)用前景：從數(shù)千座的冷卻塔和工業(yè)鍋爐，到數(shù)以百萬計的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機、卡車、火車和飛機。全世界會有數(shù)百億億焦耳的能量可以被回收利用，極大降低化石燃料的消耗。

　　車輛工程

　　沖擊波汽車發(fā)動機

　　汽車油耗將降低80%

　　車輛工程沖擊波汽車發(fā)動機

　　一個多世紀(jì)以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發(fā)動機。即便是目前最新型的混合動力車，以及雪佛蘭沃爾特電動車這樣的全新概念車，也都還在使用小型活塞式發(fā)動機來提供動力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學(xué)正在研發(fā)一種完全不同的、不使用活塞的發(fā)動機。它被稱為波—轉(zhuǎn)子發(fā)動機（wave-disk engine）或沖擊波發(fā)動機（shock-wave engine）。如果取得成功，未來混合動力汽車的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大學(xué)機械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發(fā)明者之一，他說，這種緊湊型發(fā)動機僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發(fā)動機少得多。這種發(fā)動機將不再需要活塞、連桿和汽缸。重量的減輕和燃油效率的提高“能在消耗同樣數(shù)量燃料的前提下，讓一輛裝備再生制動裝置的插電式混合動力車的行駛距離增加4倍，相應(yīng)的二氧化碳排放量也會減少80%”。不僅如此，該系統(tǒng)還能使制造成本降低30%。

　　在位于美國東蘭辛的實驗室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉(zhuǎn)子發(fā)動機原型。他們的目標(biāo)是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發(fā)動機。他希望首臺發(fā)動機能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)30%左右，而目前最好的柴油發(fā)動機所能達(dá)到的效率是45%。但是，他對改進(jìn)型發(fā)動機能夠?qū)⑿侍嵘?5%持樂觀態(tài)度。

　　在傳統(tǒng)電火花點火發(fā)動機中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進(jìn)活塞驅(qū)動曲柄軸，曲柄軸再帶動車輪旋轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動機是通過活塞來高度壓縮燃料和空氣，將它們點燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進(jìn)而帶動曲柄軸。

　　在波—轉(zhuǎn)子發(fā)動機設(shè)計中，產(chǎn)生動力的過程是在一個旋轉(zhuǎn)的渦輪中進(jìn)行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風(fēng)扇（轉(zhuǎn)子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經(jīng)過位于中央的軸，被導(dǎo)入葉片之間的空隙。當(dāng)高度壓縮的混合氣體被點燃時，燃燒的氣體在有限空間里急速膨脹而形成沖擊波，壓縮剩余部分的空氣；從外殼上反射回來的沖擊波也會進(jìn)一步壓縮和加熱空氣。最后，經(jīng)過壓縮和加熱的氣體會在恰當(dāng)時機通過外殼釋放出去。壓縮氣體在彎曲的葉片上施加的力，和氣體噴射產(chǎn)生的力一起，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動曲柄軸。

　　據(jù)波—轉(zhuǎn)子發(fā)動機的另一發(fā)明人，波蘭華沙科技大學(xué)（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說，從1906年起，工程師們就開始研究波—轉(zhuǎn)子裝置了，而且它們已經(jīng)被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩(wěn)定的氣流非常難控制。要想預(yù)測這些間歇性氣流極其復(fù)雜的非線性行為，需要進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值計算，這類計算一直都因為太過費時或不夠精確而無法達(dá)到要求，該問題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學(xué)和其他一些研究機構(gòu)正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設(shè)計，以及精確到零點幾秒的燃燒時間控制，期望得到最佳性能。

　　計算機模型能否最終變成在路上跑的實際產(chǎn)品，我們還不得而知?！安āD(zhuǎn)子技術(shù)的應(yīng)用可能會很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說，他在美國航空航天局戈蘭研究中心（NASA Glenn Research Center）從事流體模型設(shè)計。帕克森