作者 吳苡婷 首發(fā)于上?？萍紙?/strong>
2008年，在美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任正研究員的胡志宇帶著自己首創(chuàng)的納米室溫燃燒技術(shù)回到了國內(nèi)發(fā)展。經(jīng)過12年的艱辛努力和全力開拓，他和他的科研團(tuán)隊(duì)正在向“小溫差發(fā)電”的能源夢想加速挺進(jìn)，未來有望為現(xiàn)有的能源行業(yè)增加萬億度的發(fā)電量。
在寒冬中，記者走訪了胡志宇所在的上海交通大學(xué)微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，感受那些引領(lǐng)未來的科研成果的獨(dú)特魅力。
感受萬分之一度的溫度變化
最近，微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一次有趣的實(shí)驗(yàn)：利用自主研發(fā)的新一代MEMS熱電芯片檢測了國內(nèi)外幾十種酒類的揮發(fā)熱，繪制成了一個個獨(dú)特的揮發(fā)熱電壓變化圖譜。
劉澤昆博士指著這些變化迥異的圖譜告訴記者，雖然酒類的揮發(fā)溫度十分接近，但是MEMS熱電芯片能夠感受到萬分之一度的溫度變化，所以還是能將它們區(qū)別開來。這次很有意思的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：重慶江小白白酒和俄羅斯伏特加白酒的揮發(fā)熱電壓變化極其相似，顯示出其內(nèi)在物質(zhì)的高度相似性，而其他類型的酒顯示出完全不同的圖譜。這與我們能夠嗅出不同品種的酒道理是一樣的。
胡志宇告訴記者，這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ轿磥砜梢赃M(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，打造成一款微熱測量高靈敏性的“熱學(xué)顯微鏡”，可供質(zhì)量監(jiān)管部門進(jìn)行酒類鑒別，也可使用在化學(xué)反應(yīng)熱量變化監(jiān)控上，如食品行業(yè)中幾百種酵母菌的發(fā)熱情況不一，品質(zhì)也有差異。
“更有前瞻性的是，這一技術(shù)將對生命科學(xué)、物理等領(lǐng)域的科學(xué)研究起到巨大的推動作用。比如說，科學(xué)家可以用其監(jiān)測生物體內(nèi)化學(xué)焓變過程，生物的細(xì)胞生長也和溫度的細(xì)微變化有緊密聯(lián)系，這是未知研究領(lǐng)域?！焙居钫f。
突破“瓦特蒸汽機(jī)”時代的發(fā)電瓶頸
這款基于氧化硅基板的MEMS熱電芯片不僅可探知細(xì)微溫差，更神奇是它能在極小溫差下發(fā)電。記者把手掌放到5厘米×4厘米的MEMS熱電芯片上，在電壓表上瞬時顯示出5毫伏電壓。
胡志宇介紹說，這款芯片特殊之處在于可感應(yīng)到萬分之一的溫差并進(jìn)行發(fā)電，這突破了18世紀(jì)以來人類在瓦特蒸汽機(jī)模式下，無法利用超小溫差發(fā)電的技術(shù)瓶頸。芯片發(fā)電技術(shù)可構(gòu)建全新的利用環(huán)境熱能發(fā)電的系統(tǒng)。未來我們可用生產(chǎn)集成電路的方式生產(chǎn)發(fā)電機(jī)！地球表面每天都會接收到太陽輸送的巨大熱能量，但利用率很低。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚、太陽能熱水器等僅做了初級熱量收集，發(fā)電芯片可實(shí)現(xiàn)太陽能規(guī)模化使用，使人類擺脫對化石能源的依賴。
談起芯片背后存在顛覆價值，胡志宇的眼中滿是憧憬：“在煤電、核電等大部分電力系統(tǒng)中，遵循的模式都是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。我們希望推動的是將熱能直接變成電能，省去機(jī)械能做功的環(huán)節(jié)，這樣能提高熱電的轉(zhuǎn)化效率。在各類電廠中省去大量的機(jī)械裝備，取而代之的將是大面積的芯片系統(tǒng)。在水力發(fā)電中，經(jīng)常人為建造大壩來制造勢能，產(chǎn)生機(jī)械動力，推動轉(zhuǎn)子發(fā)電，而未來只要在燃煤或者核反應(yīng)堆旁打造多級串聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)，大量的芯片就可安靜地釋放出源源不斷的電流，這將是一幅多么壯闊的魔幻場景！”
可以實(shí)現(xiàn)“種太陽”夢想的發(fā)電芯片
值得一提的是這款芯片還可以將其他儲能裝置中的能量變成實(shí)實(shí)在在的電能。
前不久，實(shí)驗(yàn)室的吳振華博士后也進(jìn)行了一次顛覆性的實(shí)驗(yàn)，他將從萬里之外的瑞典哥德堡快遞過來的一瓶基于MOST技術(shù)的儲能材料中的能量變成了電能。這瓶儲能材料中的能量是由一位瑞典科學(xué)家搜集的當(dāng)?shù)氐奶柲?。MOST技術(shù)可以充分利用太陽光光能具有高能量儲存密度和長時間儲存的特點(diǎn)。來自哥德堡的“小太陽”讓寒冷的實(shí)驗(yàn)室瞬間變得溫暖如春，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離“種太陽”的夢想。
這樣的“種太陽”模式還可以移植到無人值守的小島，乃至近地太空、外太空和月球背面等較為寒冷的地方。不同于傳統(tǒng)給熱電器件設(shè)置熱端，這種技術(shù)只要存在溫差就可以發(fā)電，胡志宇科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地結(jié)合紅外輻射降低熱電器件冷溫端溫度，可實(shí)現(xiàn)全天24小時發(fā)電。
令人向往的全光譜發(fā)電模式
胡志宇出生在四季如春、風(fēng)景旖旎的云南大理，他熱愛大自然，對于大自然吸收能量的模式贊嘆不已，他說：“萬物生長靠太陽，植物僅依靠大量的樹葉吸收太陽光能和熱能，就能源源不斷地制造出從食物到燃料的能源，人類為什么不向植物學(xué)習(xí)呢？”
胡志宇的雄心壯志是希望將太陽光能和熱能全部“榨干用盡”。他的博士生張帥介紹說，目前的太陽能電池只能吸收和轉(zhuǎn)換波段在200~800納米光譜的光能，光能利用率小于20%。光譜中長波段800~3000納米能量并未被利用。而將實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一體化太陽光全光譜發(fā)電芯片表面的光熱層，放置在模擬太陽光源下，以一個太陽光照強(qiáng)度照射，太陽的光能吸收可以達(dá)到99%，光熱層溫度會升高至90攝氏度以上。結(jié)果表明光熱轉(zhuǎn)換性能一流，發(fā)電能力是目前光伏電池的2倍以上。
胡志宇的夢想是在大量建筑物的外立面和電動汽車的頂部安裝這樣的發(fā)電芯片。他曾經(jīng)測算過建筑物的發(fā)電模塊成本，每平方米的模塊安裝成本為 500元，每年的發(fā)電量可以達(dá)到100千瓦時。全國建筑物室內(nèi)外溫差發(fā)出的電，可滿足居民住戶基本用電量。在夏日，電動汽車車頂溫度可達(dá)60~70攝氏度，高溫使得電池組的總體性能大大下降，還存在安全隱患。汽車箱體與外界始終存在一定的溫度差，采用溫差發(fā)電系統(tǒng)可變廢為寶。在車內(nèi)外溫差大于50°C時，一輛車每天發(fā)電量可達(dá)到4~5千瓦時，足夠小型電動車輛行駛50公里以上。按我國未來乘用電動車年銷售量為1000萬輛計(jì)算，如果全面實(shí)施預(yù)計(jì)將帶來超過每年200億元的產(chǎn)值。
工業(yè)廢熱是能源的聚寶盆
目前中國工業(yè)廢熱的排放依然處于高位，工業(yè)廢熱排放大的行業(yè)有水泥、鋼鐵、熱電、陶瓷、有色金屬等。廢熱通過水排放后，會增加水體溫度，減少水中的溶解氧，導(dǎo)致魚類不能繁殖或死亡，增加某些細(xì)菌繁殖造成水體污染。
而在胡志宇眼中，這些廢熱是個聚寶盆，每年中國浪費(fèi)的廢熱能源相當(dāng)于100個三峽大壩的發(fā)電量。如果能將廢熱利用起來，可為節(jié)能減排作出突出貢獻(xiàn)。他告訴記者，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國火電與核電發(fā)電量為46504億千瓦時，火電廠與核電廠供熱效率為44.6%，冷卻水出口溫度為30~60攝氏度，如果回收全國火電和核電站的10%余熱，就相當(dāng)于多產(chǎn)出了4個三峽電站的發(fā)電量（以2018年三峽電站全年發(fā)電量1016億千瓦時計(jì)算）。
目前，胡志宇團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和很多工業(yè)企業(yè)合作，利用工業(yè)廢熱進(jìn)行發(fā)電，相比較其他模式的廢熱發(fā)電，發(fā)電芯片系統(tǒng)更加靈活和可模塊化。
期望打造中國人的“巴特爾紀(jì)念研究所”
雖然高科技發(fā)展日新月異，但是能源始終是世界發(fā)展的基礎(chǔ)。胡志宇告訴記者，目前世界十大年收入最高的企業(yè)中有八個企業(yè)與能源有關(guān)系，能源變革推動著時代更替，而能源市場始終是全球最大的經(jīng)濟(jì)市場。工業(yè)化導(dǎo)致的全球變暖遭到各國科學(xué)家詬病，但是在胡志宇看來，其中似乎蘊(yùn)藏著巨大的能源機(jī)遇。
胡志宇對于美國的巴特爾紀(jì)念研究所十分崇拜，這個研究所為了紀(jì)念鋼鐵實(shí)業(yè)家戈登·巴特爾于1923年成立。那里一直是“科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力”“專利轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力”運(yùn)動的實(shí)踐者和領(lǐng)導(dǎo)者，致力于“讓沉睡在學(xué)術(shù)刊物上的研究成果站立起來”，投入到實(shí)際應(yīng)用中去，這與中國目前促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化的政策不謀而合。巴特爾紀(jì)念研究所每年支配著高達(dá)65億美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，是世界上最大的獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)，單獨(dú)管理或共同管理著隸屬于美國能源部和國土安全部的6個實(shí)驗(yàn)室。
前不久，致力于科技成果轉(zhuǎn)化的埃隆·馬斯科成為世界首富。胡志宇對于馬斯科的思維方式十分推崇，他說：“我們運(yùn)用物理學(xué)的角度看待世界，也就是說一層一層撥開事物表象，看到里面的本質(zhì)，再從本質(zhì)一層一層往上走。但是大多數(shù)人在生活中總是傾向于比較，去做別人已經(jīng)做過或者正在做的事情，這樣發(fā)展的結(jié)果只能產(chǎn)生細(xì)小的迭代發(fā)展。”
胡志宇告訴記者，在“后化石能源時代”的所有零碳發(fā)電技術(shù)中，熱電技術(shù)不受氣候影響，與光伏發(fā)電和風(fēng)電相比，其單位體積能量密度和利用率是前者的幾倍。此外，熱電技術(shù)在原材料供應(yīng)和制備設(shè)備方面沒有“卡脖子”困難，可保障我國在該領(lǐng)域的前沿領(lǐng)先地位。
美國能源部實(shí)驗(yàn)室里在百年間走出了100多位諾貝爾科學(xué)獎得主。胡志宇的夢想是打造中國的“巴特爾紀(jì)念研究所”，點(diǎn)亮中國能源領(lǐng)域的創(chuàng)新火焰。
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