“嫦娥”登月，“祝融”赴火，中国航天科技取得的一个个成就帮助人们走向浩瀚宇宙，甚至展开建立地外基地的畅想。想要到达更远的地方，太阳能无疑是探测能源的重要支撑。太阳是大自然赐予的理想热源，然而昼夜的存在却限制了人类在夜晚对太阳能的开发和利用效率。如何才能24小时不间断地利用太阳能？日前，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团队在国际知名期刊《Joule》上发表最新研究成果，其提出的“热整流”概念或为这一难题找到突破口。 “我们所提出的‘热整流’概念是从‘电整流’类比而来。”陈震告诉《科技周刊》记者，众所周知，电网将周期性变化的交流电送至用电端。而在日常生活中，除了带电机的和纯电阻电器，家用电器基本上都不能直接使用交流电，而是要先转换为直流电。“‘电整流器’正是把入户的交流电转变为直流电的‘幕后功臣’。”那么，我们能否把随时间周期性变化的温度场也转化为恒定的温度场呢？受到电整流器工作原理的启发，中美研究团队在对热二极管等非线性热学器件研究的基础上，根据电与热的相似性，提出了“热整流器”的构想。 陈震介绍，在此之前比较常用的是将白天收集到的太阳光能直接转化为热能或电能，并存储在一些热容较大的物质或者锂电池等存储器内，供夜晚使用。“但是其问题在于利用效率相对较低，并且受到温度周期变化的约束导致输出功率不稳定。”团队所提出的“热整流”概念则另辟蹊径，通过“热整流器”把随时间变化的温度场转变成恒定的温度场，再通过热力学中传统的用热实践，将热能转换为其他可供人们生产生活使用的能量。“这样一来，太阳能利用就可以不再受昼夜更替的限制，而可以不间断连续使用。”例如，在太阳能热电厂中，就可以不必担心太阳“落山”，而可以借助这一恒定稳定的温度场24小时利用太阳能。 陈震进一步介绍，“热整流器”可以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恒温热源和一个等效的低温恒温热沉。“在这个稳定的温度场内，我们可以根据需求将热能持续且稳定地转化为机械能或者电能。”陈震表示，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。 这项成果不仅让太阳能有了24小时不间断利用的可能，而且还为人类从其它任何随时间变化的温度场中提取能量提供了理论依据。例如，人们在享受空调提供凉爽的同时排放了大量的废热到室外，且这些废热排放是周期性的，即用电高峰时排放量多，反之排放量少。因此，我们可以利用“热整流器”将这个周期性热源转化为恒定温度场利用。 “除此之外，月球、火星等地外基地的建设也是‘热整流’可能的应用环境。”陈震解释，在缺少大气层、温度变化极端的外星空间中，拥有一个恒定的温度场意味着地外基地可以拥有持续且稳定的能源支持。以月球为例，众所周知，地球上空的大气层反射掉了一部分太阳能，而由于质量太小且没有磁场，月球缺少大气层保护，故而有着比地球更大的昼夜温差。换句话说，想要在月球上搭建基地，则更需要“热整流器”这样的装置来持续供能。 据了解，目前“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。“实验表明，太阳的东升西落并不会影响‘热整流器’运转，之后我们也希望在此基础上能够根据实际需求逐步提升其工作效率。”陈震表示，团队正在搭建可在户外工作的原型机，寻求进一步结论。 2021-8-25 【新华日报】