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《焦耳》杂志文章,提出“热整流”概念

2021-08-17 16:56:09    来源:科技日报

嫦娥返地,祝融攀火。我国地外探索事业取得的一个又一个成就,让人们开始畅想登上外星,乃至建立基地的可能。然而,人类太空活动必须应对能源这一关键问题,目前最常见的解决方案太阳能,又和大多数清洁能源一样,有周期性、不稳定的特点。太阳是大自然赐予的理想能源,但是由于昼夜变化的存在,它无法一直眷顾人类。在缺少大气层,温度变化极端的外星空间,这一问题尤其突出。为此,科学家们开展了许多设想和尝试。

近日,我国东南大学机械工程学院陈震教授团队与美国加州大学伯克利分校科研团队合作,在国际能源领域权威期刊《焦耳》上联合发表文章,提出了“热整流”概念,让人类不间断利用太阳能成为可能。

陈震介绍,太阳的东升西落限制了人类在夜晚对太阳能的利用效率,目前的通常办法是利用蓄电池储存光伏板的日间发电,或利用高热容材料储存白天收集的太阳热量,供给夜间使用。这些传统方法转化效率低,而且受到温度周期变化的约束导致输出功率不稳定。东南大学和加州大学伯克利分校的科研人员受电网系统启发,提出了新的可能方案。

在电网系统当中,周期性变化的交流电经由“电整流器”转化为稳定的直流电。中美研究团队由此得到灵感,根据电与热的相似性,在研究热二极管等非线性热学器件的基础上,提出了“热整流器”的构想。经过理论和实验验证,相较于传统方法,该构想可以将热-电转化功率提高4-8倍。这一成果不仅让太阳能有了24小时不间断利用的可能,还为人类从其它任何随时间变化的温度场——包括月球、火星等星际空间——当中获取能量提供了理论依据。

谈及“热整流”概念的应用情况,陈震解释说,“热整流器”在实验室模拟的周期性温度变化条件下,已经产生与理论预测一致的结果。目前,该实验室正在搭建可以在户外工作的原型机,寻求进一步结论。在实际应用当中,最大的难点是设计高性能的“热二极管”或“热开关”,科研团队正在试验多种方案。

“随时间变化的温度场无处不在,既包括周期性变化的,也包括非周期性的。”陈震强调,“从热力学系统中的内燃机、空调、电冰箱,到家用交流电引起的温度场,再到太空当中温度变化更剧烈的环境,都是‘热整流’可能的应用环境。”

此外,研究还对热力学教科书中的一个基本常识进行了重新表达:由于热力学基本定律不允许任何热机(例如内燃机)将热能100%转化为有用功(例如机械能、电能等),所以在现有教科书中,热机不仅需要连接一个高温热源作为驱动,还需要连接一个低温热沉用来排放被浪费掉的热能。然而研究通过理论和实验表明,只要热源的温度随时间变化,热机就可以仅连接一个热源工作。

“热整流器”的主要功能就是,将温度随时间变化的单一热源的最高温和最低温分别提取出来,并分离为一个等效的高温热源和一个等效的低温热沉,因此并不违背热力学基本定律。

据《焦耳》杂志官网信息,研究论文的共同第一作者为东南大学机械工程学院助理工程师赵晓冬和美国加州大学伯克利分校机械系研究生米切尔.韦斯特伍德。《焦耳》是能源领域的旗舰期刊,2021年最新影响因子为41。(实习记者 孙明源)

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