偷点热量

余热利用

偷点热量

能源：纸张、玻璃、金属和塑料的回收利用已很普遍。利用新技术也能回收热量

古时候船只在海上靠风帆航行，如果没有风水手们就会被困在海上。他们茫然四顾后只能哀叹：“水，到处都是水，却没有一滴能解渴”。令人称奇的是，面对周围的能量之海我们也有同样的感慨。就如同一个荒岛四面环水一样，丰富的能量以风、阳光、潮汐和热的形式就存在于我们身边。问题是，这些能源像海水一样难于开发利用。近些年来，风力发电机、太阳能电池板和提取波浪和潮汐能的装置应用的愈来愈普遍。但开发利用周围空气中大量的可利用热量和机器产生的热量的技术进展缓慢。

诚然，人们采用简单的余热利用方式已有一段时间了，例如，用有较高温度的废水作为地热取暖和融化公路上的结冰。这种系统还可以用于减少加热家庭用水的能源消耗。将下水管线与上水管线紧靠在一起排列，下水管中的热水就能将上水管中冷水预热，从而减少加热水所需的能量。“热电联动”电厂在发电的同时也利用余热为附近的住户供暖。在工业生产中，锅炉和大型制冷机组产生的余热有时也回收用于其它地方，以降低供热成本。一些具有环保意识的人士也在自家安装了“空气源热泵”，利用从室外空气中提取的热量使自己的室内达到舒适的温度。

电脑产生大量的热，而且需要冷却，随着电脑的普及，回收利用其排放的热量的方法愈来愈有创意了。由于机器的功率越来越大，电源的功率和冷却消耗的电量也就同步增长，人们为使机器正常运行而在降温方面着实是花了大把的钞票。根据美国国家环境保护局的估计，从2006年到2011年仅在美国为服务器供电和冷却的花费就要从45亿美元增长到74亿美元。

看到屋顶结着冰，却得知由于冷却成本太高使得计算机模拟无法高速的运行，这真是让人沮丧。印第安纳州南湾市圣母大学的计算机科学家保罗 布伦纳决定要有所行动。布伦纳博士和他的同事们开始研究能否利用计算机散发的余热作为使室内保持恒温的采暖系统的一部分。将计算机置于温度较低的房间，而人员则在其它利用计算机散发的热量来取暖的办公室内工作，从理论上讲，这种系统可节省取暖和冷却的用电费用。

为实验这一设想是否可行，他们设法弄到一间办公室，并将一些服务器安置在这个房间，然后将这些服务器连接到圣母大学的校园主计算机房用于大规模计算。在这间办公室内安有温度计，当房间的温度降低到一定数值时就发出信号，要求启动这间办公室内的服务器进行运算。一旦房间上升到一定温度，就再次发出信号暂停服务器的工作。

实验证明，他们的设想在校园内是可行的。因此，布伦纳博士和他的团队尝试在校园外推广这一技术。南湾温室植物园用锅炉和丙烷加热器采暖，使温室内的植物能够在适当的的温度下生长，此项费用每年需要11.5万美元。

在温室内安装一个类似于上述办公室试验中使用的机柜后，研究人员就能够为温室提供急需的供热了。其后不久，在温室中又加装了3个机柜。现在，四个机柜产生的热量足以为这间温室供暖，一年节省的取暖燃气费就达15600美元，同时为圣母大学节省了38000美元的冷却费用。

不仅是新奇物件

然而，只有热本身是一个明显有价的商品，并且只需将热输往用热的地方就万事大吉的场合，布伦纳博士的系统才有用武之处。然而，能源主要以电的形式进行传输，理想的方式是将余热转化为电能。通常这种热-电转化方式是利用热电偶实现的。热电偶由两层不同的金属构成，其中一层比另一层温度高时就在两层金属间产生电流。但史蒂芬 诺瓦克、戴尔科特和爱达荷国家实验室的同事们正在研究一种新的方法，使用一种由黄金或一种镍铬合金为材料制作的被称为纳米天线（nantennae）的装置来实现热-电转换。

物体受热则散发红外辐射，这些金属中的电子受到辐射则产生振动。电子振动又产生了可以利用的交变电流。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可以使用的电量。纳米天线采用大规模印压法的生产工艺，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，就在其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，而且可以弯曲。

主要的问题是，纳米天线中产生的交流电频率非常高。在美国，主要供应频率为60赫兹的交流电。而纳米天线产生的电流频率约30兆兆赫兹，约是主流电源频率的5000亿倍。为了利用这种电流，需要一种叫做整流器的装置与纳米天线配套使用，可以使电流的频率减小到可用的级别。麻烦的是，市面上的整流器只能应付频率为10万兆赫的电流。纳米天线生成的电流频率大约是其300倍高。

为解决这个问题，诺瓦克博士与他的同事们正在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。

指日可待

另一种正在探索的回收热量方式是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一批批的光（光量子）将原子中的电子撞击出来成为自由电子。然后光伏电池使这些自由电子形成电流。光伏电池通常对光谱中的可见光和紫外线波段的光子受激性最好，但高频红外光子也能激发电流。温度在1000-1500℃的物体产生大量的这类光子。

但只有那些运动方向与发热材料表面成近乎完美的直角的光子可逃逸材料表面而发射出来。在发热材料内其运动方向与材料表面成其它任何角度的光子在碰到表面时都会被反弹回来。因此，在发热物体附近放置的光伏电池每平方厘米只能够产生大约0.02瓦的电。相比之下，吸收太阳光的光伏电池每平方厘米可产生20瓦的电，当然条件是要用镜子将光线恰当地聚焦。

鲍勃 迪马特奥在位于波士顿新创的MTPV公司工作，正在致力于解决这个问题。他和他的同事们发现，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（十亿分之一米)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。这种被称为微米距热光电的新型光电元件（MTPV公司也就是因此而得名）每平方厘米能够产生5-10瓦的电量，这与普通光伏电池相比有了大幅增加。这项技术看起来最适合用于高温的工业设施，如制造玻璃的设备，或在发电站回收热能。

彼得 哈格尔施泰因是麻省理工学院的一个电气工程师，他也正在进行一项相关的研究，也涉及到在发热体与光伏电池间极小间隙的问题。物体温度升高后就会辐射出热量，但由于原子的无规则热运动，在物体表面附近还会产生电场。哈格尔施泰因博士和他的同事们的理论是，虽然这个电场非常之小，但如果光伏电池中的电子能够进入这个电场，就会像受到光子撞击一样使电子脱离原子的束缚成为自由电子。

但即使是迪马特奥先生研制出来的光电元件也无法满足要求：高温物体的电场仍然距光伏电池中的电子太远，无法达到接触状态。研究人员发现，他们必须使这个距离达到5-20纳米才行。在这样的距离，光伏电池中的电子能够被高温物体产生的电场所解放，但用于产生电流的普通方法已经行不通了。通常，在一块光伏电池内，被光子撞击释放的电子在光伏电池的内电场作用下通过与电池相连的导线传出。然而，电池表面的自由电子无法通过这种方式成为电流传出。这些自由电子只是在电池表面的原子间慢慢移动。

因此，哈格尔施泰因博士和他的同事改变了电池的设计，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。虽然新元件还处于试验阶段，但按照该研究小组发表在《应用物理》11月刊的一篇论文上的计算，这种元件的热-电转化率可以达到100瓦/每平方厘米。在笔记本电脑上安装这种装置，它可以回收利用微处理器产生的热量，使电脑的运行时间延长约20％。无论采用哪种方式，大量的余热资源似乎可以得到利用了。

《经济学人》（The Economist ( http://www.economist.com ))仅同意ECO （www.ecocn.org）翻译其杂志内容，并未对上述翻译内容进行任何审阅查对。

译者：dqzxf

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