终极应用：余热再利用技术催生新能源

常州地暖

余热再利用或许会成为新能源家族的又一个新成员。    古时候，当出航的水手们被困在无风的海面上时，他们总会发出这样的哀叹：“水，到处都是水，却没有一滴能解渴”。进入现代社会，我们似乎也在面临类似的窘境：人类四围的环境中充满丰富的能量：风、阳光、潮汐和热，但目前却难以被人类轻易利用。近些年来，在风力发电机、太阳能电池板等猎取可再生能源的装备得到快速发展的同时，也有不少科学家在研究如何回收利用大气中无处不在的热量，试图让这些时刻产生、但却被人类忽略的能量为人类所用。
    可利用废热随处可见
    在一些领域，人们已经开始尝试用简单的方法利用“废”热，例如用仍有较高温度的废水为地热取暖或融化私家车道上的结冰。“热电联动”电厂则更为高级一些，即在发电的同时利用余热为附近的住户供暖。在工业生产中，锅炉和大型制冷设备产生的余热有时也被回收用于其它地方，以降低供热成本。国外部分环保意识强烈的人士已开始在家中安装“空气源热泵”，利用从室外空气中提取的热量保持室内的温度。
    如果说这些尝试只是“小打小闹”，那么美国印第安纳州圣母大学的电脑专家保罗·布雷纳则是在“动真格”的。眼下电脑已经非常普及，每个人都能切身体会到电脑运行时排气孔散发出的热量。为了让电脑正常运转，这些热量必须通过风扇等散热设备排出，而风扇的转动同样需要耗费电力。随着电脑性能的提升，散热的用电需求也同步增长。据美国环境保护署（EPA）的预测数据，到2011年，全美在服务器供电和冷却上的花费将从2006年的45亿美元增长到74亿美元。如果能将这些对电脑而言毫无用处的热量再利用，显然能够大幅节约成本。
    布雷纳和他的研究团队正在尝试让计算机散发的余热成为室内采暖系统的一部分。为了验证这一构想是否可行，他们在圣母大学一间闲置的办公室内架设了若干台服务器，服务器的另一端连接着校园机房中用于大数据量计算的主电脑上。当办公室内的温度偏低时，服务器便会向计算机发出信号，要求后者启动该服务器进行工作；一旦房间温度上升到一定区间时，就会再次发出信号，暂停使用服务器。实验证明布雷纳的设想是可行的，房间始终保持着舒适的温度，热量的来源并不是空调，而是服务器散发出的废热。
    现在布雷纳已将这一技术运用在了圣母大学的植物园内。通过4个服务器机柜，植物园温室的温度得到了保证，与之相对应的是，圣母大学每年因此节省了3.8万美元的服务器冷却费用，同时植物园的燃气费支出减少了1.56万美元。
    余热发电是终极应用
    布雷纳的创意虽然取得了成功，但与自然界海量的余热相比，植物园的应用规模实在太小。我们知道，电是能源最理想的传输方式，将余热转换为电能才是终极应用。目前美国爱荷华州国家实验室正在进行这方面的研究。通常这种热电转化需要通过热电偶实现的，热电偶是一种被广泛应用的温度传感器，由两层不同的金属构成，当其中一层比另一层温度高时，两层金属间就会产生电流。但爱荷华州国家实验室的科学家史蒂芬·诺瓦克、戴尔·科特则正在研究一种更加新奇的方法——使用一种由黄金或镍铬合金为材料制成的、被称为“纳米天线”的装置来实现热电转换。
    物体受热时会散发出红外射线，黄金或镍铬合金中的电子受到这种辐射便会产生振动。电子振动紧接着会产生可被利用的交变电流。虽然单个纳米天线中生成的电流很小，但大量纳米天线组成的阵列就足以产生不小的电量。纳米天线本身采用大规模印压法工艺制成，在略微加热的塑料薄片上压制其基层结构。基层结构成型后，再往压出的凹槽里涂镀金属层。由于只需要涂镀少量的金属，所以最终的产品价格不高，并且具有很好的延展性。
    不过纳米天线的实际应用也面临着一个难题，即产生的交流电频率过高。美国使用的交流电频率为60赫兹，而纳米天线产生的电流频率则高达3000亿赫兹。若要使用这种超高频电流，需要将纳米天线与整流器配套使用。但目前市面上的整流器只能应付频率为10亿赫兹的电流。
    为了解决这个问题，诺瓦克与他的同事正试验在纳米天线中嵌入一个纳米级别的二极管。二极管是一种只允许电流单向流动的元件，经过二极管后，高频的交流电就变成了易于处理的直流电。研究人员希望增加这一元件后能使他们的余热利用技术变得现实可行。
    光伏电池的新天地
    除了纳米天线，另一个正在探索中的余热回收方式是利用类似太阳能电池板的光伏电池捕捉红外线。光伏电池的工作原理是通过一簇簇的光量子将原子中的电子撞击出来成为自由电子，这些自由电子接下来便会形成电流。光伏电池通常对光谱中的可见光和紫外线波段的光子最为敏感，但高频红外光子也能激发电流。
    然而只有那些运动方向与发热材料表面成近乎完美直角的光子可逃逸材料表面而发射出来，其它任何角度的光子在碰到表面时都会被反弹回来。苛刻的条件使得放置在发热物体附近的光伏电池每平方厘米只能够产生大约0.02瓦的电力，而吸收太阳光的光伏电池每平方厘米可产生20瓦的电力。
    位于美国波士顿的高科技公司MTPV正试图解决这一问题。MTPV科学家鲍勃·迪马特奥领导的研究小组发现，如果将光伏电池放在距碳化硅合金材料的发热表面几百纳米远的位置，情况就会发生变化。当电池与发热体间的距离小于合金材料的红外辐射波长时，光子就不会被材料表面反弹回来，而是直接进入电池内。在这种情况下，光伏电池每平方厘米能够产生5至10瓦的电量。研究人员认为，这项技术应用潜力主要集中在要求高温的行业中，比如玻璃制造，或在发电站附近回收废热。
    除了MTPV，目前美国麻省理工大学也在进行类似研究。该校研究人员在近期出版的《应用物理》上刊文称，他们改变了电池的设计，在普通半导体材料的夹层中加入极细的金属丝，使自由电子通过这些金属丝聚集和导出，形成电流。虽然这种新元件还处于试验阶段，但按照该研究小组计算，这种元件的热电转化率可以达到每平方厘米100瓦。在科技发展日新月异的今天，在不远的未来，我们或许会看到，余热将成为与太阳能、风能等并驾齐驱的又一个新能源。