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“芯片发电厂”颠覆传统路径——上海交大教授胡志宇的能源梦想

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  • 发布时间:2021-01-21 09:57
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  2008年,在美国能源部橡树岭国家实验室担任正研究员的胡志宇带着自己首创的纳米室温燃烧技术回到了国内发展。经过12年的艰辛努力和全力开拓,他和他的科研团队正在向“小温差发电”的能源梦想加速挺进,未来有望为现有的能源行业增加万亿度的发电量。

  在寒冬中,记者走访了胡志宇所在的上海交通大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室,感受那些引领未来的科研成果的独特魅力。

感受万分之一度的温度变化

  最近,微米/纳米加工技术国家级重点实验室进行了一次有趣的实验:利用自主研发的新一代MEMS热电芯片检测了国内外几十种酒类的挥发热,绘制成了一个个独特的挥发热电压变化图谱。

  刘泽昆博士指着这些变化迥异的图谱告诉记者,虽然酒类的挥发温度十分接近,但是MEMS热电芯片能够感受到万分之一度的温度变化,所以还是能将它们区别开来。这次很有意思的实验结果是:重庆江小白白酒和俄罗斯伏特加白酒的挥发热电压变化极其相似,显示出其内在物质的高度相似性,而其他类型的酒显示出完全不同的图谱。这与我们能够嗅出不同品种的酒道理是一样的。

  胡志宇告诉记者,这样的实验模式未来可以进行产业化,打造成一款微热测量高灵敏性的“热学显微镜”,可供质量监管部门进行酒类鉴别,也可使用在化学反应热量变化监控上,如食品行业中几百种酵母菌的发热情况不一,品质也有差异。

  “更有前瞻性的是,这一技术将对生命科学、物理等领域的科学研究起到巨大的推动作用。比如说,科学家可以用其监测生物体内化学焓变过程,生物的细胞生长也和温度的细微变化有紧密联系,这是未知研究领域。”胡志宇说。

突破“瓦特蒸汽机”时代的发电瓶颈

  这款基于氧化硅基板的MEMS热电芯片不仅可探知细微温差,更神奇是它能在极小温差下发电。记者把手掌放到5厘米×4厘米的MEMS热电芯片上,在电压表上瞬时显示出5毫伏电压。

  胡志宇介绍说,这款芯片特殊之处在于可感应到万分之一的温差并进行发电,这突破了18世纪以来人类在瓦特蒸汽机模式下,无法利用超小温差发电的技术瓶颈。芯片发电技术可构建全新的利用环境热能发电的系统。未来我们可用生产集成电路的方式生产发电机!地球表面每天都会接收到太阳输送的巨大热能量,但利用率很低。传统的农业大棚、太阳能热水器等仅做了初级热量收集,发电芯片可实现太阳能规模化使用,使人类摆脱对化石能源的依赖。

  谈起芯片背后存在颠覆价值,胡志宇的眼中满是憧憬:“在煤电、核电等大部分电力系统中,遵循的模式都是将热能转变为机械能,机械能再转变为电能。我们希望推动的是将热能直接变成电能,省去机械能做功的环节,这样能提高热电的转化效率。在各类电厂中省去大量的机械装备,取而代之的将是大面积的芯片系统。在水力发电中,经常人为建造大坝来制造势能,产生机械动力,推动转子发电,而未来只要在燃煤或者核反应堆旁打造多级串联发电系统,大量的芯片就可安静地释放出源源不断的电流,这将是一幅多么壮阔的魔幻场景!”

可以实现“种太阳”梦想的发电芯片

  值得一提的是这款芯片还可以将其他储能装置中的能量变成实实在在的电能。

  前不久,实验室的吴振华博士后也进行了一次颠覆性的实验,他将从万里之外的瑞典哥德堡快递过来的一瓶基于MOST技术的储能材料中的能量变成了电能。这瓶储能材料中的能量是由一位瑞典科学家搜集的当地的太阳能。MOST技术可以充分利用太阳光光能具有高能量储存密度和长时间储存的特点。来自哥德堡的“小太阳”让寒冷的实验室瞬间变得温暖如春,实现了远距离“种太阳”的梦想。

  这样的“种太阳”模式还可以移植到无人值守的小岛,乃至近地太空、外太空和月球背面等较为寒冷的地方。不同于传统给热电器件设置热端,这种技术只要存在温差就可以发电,胡志宇科研团队创造性地结合红外辐射降低热电器件冷温端温度,可实现全天24小时发电。

令人向往的全光谱发电模式

  胡志宇出生在四季如春、风景旖旎的云南大理,他热爱大自然,对于大自然吸收能量的模式赞叹不已,他说:“万物生长靠太阳,植物仅依靠大量的树叶吸收太阳光能和热能,就能源源不断地制造出从食物到燃料的能源,人类为什么不向植物学习呢?”

  胡志宇的雄心壮志是希望将太阳光能和热能全部“榨干用尽”。他的博士生张帅介绍说,目前的太阳能电池只能吸收和转换波段在200~800纳米光谱的光能,光能利用率小于20%。光谱中长波段800~3000纳米能量并未被利用。而将实验室研发的一体化太阳光全光谱发电芯片表面的光热层,放置在模拟太阳光源下,以一个太阳光照强度照射,太阳的光能吸收可以达到99%,光热层温度会升高至90摄氏度以上。结果表明光热转换性能一流,发电能力是目前光伏电池的2倍以上。

  胡志宇的梦想是在大量建筑物的外立面和电动汽车的顶部安装这样的发电芯片。他曾经测算过建筑物的发电模块成本,每平方米的模块安装成本为 500元,每年的发电量可以达到100千瓦时。全国建筑物室内外温差发出的电,可满足居民住户基本用电量。在夏日,电动汽车车顶温度可达60~70摄氏度,高温使得电池组的总体性能大大下降,还存在安全隐患。汽车箱体与外界始终存在一定的温度差,采用温差发电系统可变废为宝。在车内外温差大于50°C时,一辆车每天发电量可达到4~5千瓦时,足够小型电动车辆行驶50公里以上。按我国未来乘用电动车年销售量为1000万辆计算,如果全面实施预计将带来超过每年200亿元的产值。

工业废热是能源的聚宝盆

  目前中国工业废热的排放依然处于高位,工业废热排放大的行业有水泥、钢铁、热电、陶瓷、有色金属等。废热通过水排放后,会增加水体温度,减少水中的溶解氧,导致鱼类不能繁殖或死亡,增加某些细菌繁殖造成水体污染。

  而在胡志宇眼中,这些废热是个聚宝盆,每年中国浪费的废热能源相当于100个三峡大坝的发电量。如果能将废热利用起来,可为节能减排作出突出贡献。他告诉记者,根据统计,2018年全国火电与核电发电量为46504亿千瓦时,火电厂与核电厂供热效率为44.6%,冷却水出口温度为30~60摄氏度,如果回收全国火电和核电站的10%余热,就相当于多产出了4个三峡电站的发电量(以2018年三峡电站全年发电量1016亿千瓦时计算)。

  目前,胡志宇团队已经和很多工业企业合作,利用工业废热进行发电,相比较其他模式的废热发电,发电芯片系统更加灵活和可模块化。

期望打造中国人的“巴特尔纪念研究所”

  虽然高科技发展日新月异,但是能源始终是世界发展的基础。胡志宇告诉记者,目前世界十大年收入最高的企业中有八个企业与能源有关系,能源变革推动着时代更替,而能源市场始终是全球最大的经济市场。工业化导致的全球变暖遭到各国科学家诟病,但是在胡志宇看来,其中似乎蕴藏着巨大的能源机遇。

  胡志宇对于美国的巴特尔纪念研究所十分崇拜,这个研究所为了纪念钢铁实业家戈登·巴特尔于1923年成立。那里一直是“科学技术转化成生产力”“专利转化为生产力”运动的实践者和领导者,致力于“让沉睡在学术刊物上的研究成果站立起来”,投入到实际应用中去,这与中国目前促进科技成果转化的政策不谋而合。巴特尔纪念研究所每年支配着高达65亿美元的研发经费,是世界上最大的独立研究机构,单独管理或共同管理着隶属于美国能源部和国土安全部的6个实验室。

  前不久,致力于科技成果转化的埃隆·马斯科成为世界首富。胡志宇对于马斯科的思维方式十分推崇,他说:“我们运用物理学的角度看待世界,也就是说一层一层拨开事物表象,看到里面的本质,再从本质一层一层往上走。但是大多数人在生活中总是倾向于比较,去做别人已经做过或者正在做的事情,这样发展的结果只能产生细小的迭代发展。”

  胡志宇告诉记者,在“后化石能源时代”的所有零碳发电技术中,热电技术不受气候影响,与光伏发电和风电相比,其单位体积能量密度和利用率是前者的几倍。此外,热电技术在原材料供应和制备设备方面没有“卡脖子”困难,可保障我国在该领域的前沿领先地位。

  美国能源部实验室里在百年间走出了100多位诺贝尔科学奖得主。胡志宇的梦想是打造中国的“巴特尔纪念研究所”,点亮中国能源领域的创新火焰。

 

本文来源:上海科技报    作者:吴苡婷

 

胡志宇--个人简介

  胡志宇,上海交通大学“致远”讲席教授,国家特聘专家,二级教授,博导,在美国田纳西大学获得物理学博士(2000)与工商管理硕士学位(2004),曾经在美国能源部橡树岭国家实验室担任研究员,并在美国佐治亚理工学院、田纳西大学等多所大学担任客座或兼职教授。他在美学习、工作期间曾多次荣获嘉奖和荣誉,包括中国微米纳米技术学会创新性奖、美国能源部部长亲函嘉奖和ORNL“年度发明家奖”、“技术成就奖”等。先后在相关的学术期刊(包括Nature Nanotechnology,Nano Energy,Nanoscale等)上发表了100多篇学术论文、出版了中文、英文专著各一部、获得17件授权中国专利和6项国际专利。回国后指导毕业了50多位博士后、博士和硕士研究生,先后有10多位同学获得研究生国家奖学金、优秀毕业生等,还获得30多项创新创业比赛大奖。

  主要研究方向:

  1. MEMS高集成大阵列热电芯片(会发电的集成电路)

  2. 纳米构建薄膜功能材料

  3. 纳米催化低温燃烧(纳米火)

  4. 纳米尺度低维结构能量输运和转换

  5. “热的尺度效应”理论与应用

  6. 超高精度微热测量技术

  教学授课:

  《新一代芯片微纳制造与应用》(教学改革创新课程模块首席教授);《未来能源技术》(上海市教委留学生英文示范性课程);《热学》(物理学本科专业基础课程);《微纳世界导航》《世界能源危机解决之道》(全校通识课程)

 

 

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