全球7大前沿技術，讓太陽能電池效率翻番？

　　電力生產

　　量子光電池

　　熱電子能讓太陽能電池的效率翻番

　　電力生產量子光電池

　　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%轉化為電能，以致發電成本居高不下。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到26%）。而對半導體晶體（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，這為開發低成本發電設備帶來了希望。

　　在傳統光電池中，硅中的電子被射入的光子擊出而成為自由電子，能夠自由地流入導線，從而產生電流。不幸的是，陽光中許多光子能量太高，當它們擊打到硅上時，會產生一種“熱電子”，它們會以熱的形式迅速損失能量，在被導線捕捉到之前又重新回到初始狀態。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，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的化學家朱曉陽（Xiaoyang Zhu，音譯）和同事將注意力投向了一種量子點，每一個點只包含數千個原子。他們將硒化鉛量子點沉積在一層導電的二氧化鈦（一種普通材料）上。當光線照在上面時，所產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（University of Notre Dame）的普拉山特·卡馬特（Prashant Kamat，未參與此項研究）評論道，朱曉陽的團隊“確實證明了這一設想是可能實現的”。

　　然而，延緩電子能量損失僅僅是一個方面。目前，朱曉陽的團隊正在尋找能讓導體將盡可能多的熱電子轉化為電流的方法，這樣，導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該使用什么材料。” 朱曉陽預計，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” 。該項目的商業回報將十分可觀。

　　廢熱利用

　　熱力發電機

　　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電廠的煙囪中逃走。通用汽車公司的科學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化為機械能，進而產生電力。該研究組組長艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個目標是，回收汽車排氣系統中散發的熱能，驅動車載空調或音響系統。

　　布朗計劃使用由數條平行的鎳—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之間來回變換：在較高溫度下較堅硬的本態與較低溫度下更為柔韌的狀態。在這個設計中，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，而另一角則位于溫度較低的遠端。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路轉動并帶動滑輪旋轉，進而通過軸承驅動發電機。溫差越大，環路轉動越快，產生的能量也就越多。

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

　　通用汽車公司的設計并不復雜，但離實用仍很遙遠。形狀記憶合金容易疲勞，會變得脆而易碎；需要連續處理3個月才能重新回到“本態”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。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，他們正在調試“科學上的和人能想象得到的”所有參數。

　　通用汽車公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來產生能量的機構。美國伊利諾伊大學的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發一種可彎曲的固態材料，它也能將熱力轉化為電能。如果熱力發電機能被安裝在現有或未來的設備中，它就會有近乎無限的應用前景：從數千座的冷卻塔和工業鍋爐，到數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

　　沖擊波汽車發動機

　　汽車油耗將降低80%

　　車輛工程沖擊波汽車發動機

　　一個多世紀以來，幾乎所有轎車和卡車都使用的是活塞式發動機。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動機來提供動力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學正在研發一種完全不同的、不使用活塞的發動機。它被稱為波—轉子發動機（wave-disk engine）或沖擊波發動機（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%。

　　密歇根州立大學機械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發明者之一，他說，這種緊湊型發動機僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發動機少得多。這種發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，相應的二氧化碳排放量也會減少80%”。不僅如此，該系統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—轉子發動機原型。他們的目標是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發動機。他希望首臺發動機能量轉化效率可達30%左右，而目前最好的柴油發動機所能達到的效率是45%。但是，他對改進型發動機能夠將效率提升到65%持樂觀態度。

　　在傳統電火花點火發動機中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來推進活塞驅動曲柄軸，曲柄軸再帶動車輪旋轉。柴油發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，進而帶動曲柄軸。

　　在波—轉子發動機設計中，產生動力的過程是在一個旋轉的渦輪中進行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風扇（轉子），有許多彎曲的葉片和外殼。壓縮后的高溫空氣和燃料經過位于中央的軸，被導入葉片之間的空隙。當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一步壓縮和加熱空氣。最后，經過壓縮和加熱的氣體會在恰當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，和氣體噴射產生的力一起，驅動轉子旋轉，進而帶動曲柄軸。

　　據波—轉子發動機的另一發明人，波蘭華沙科技大學（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—轉子裝置了，而且它們已經被用在了一些賽車的增壓器里。但是，穆勒說，里面不穩定的氣流非常難控制。要想預測這些間歇性氣流極其復雜的非線性行為，需要進行精細的數值計算，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，密歇根州立大學和其他一些研究機構正通過高仿真模擬，來輔助葉片幾何形狀的精密設計，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品，我們還不得而知。“波—轉子技術的應用可能會很困難，”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）從事流體模型設計。帕克森