全球7大前沿技术，让太阳能电池效率翻番？

　　电力生产

　　量子光电池

　　热电子能让太阳能电池的效率翻番

　　电力生产量子光电池

　　目前市场上的太阳能电池，只能将接收到的阳光能量的10%至15%转化为电能，以致发电成本居高不下。原因之一是，单层硅吸收阳光的效率，理论上限大约是31%（实验室中最好的光电池可以达到26%）。而对半导体晶体（或称为“量子点”）的新研究表明，这一理论上限可以提高到60%以上，这为开发低成本发电设备带来了希望。

　　在传统光电池中，硅中的电子被射入的光子击出而成为自由电子，能够自由地流入导线，从而产生电流。不幸的是，阳光中许多光子能量太高，当它们击打到硅上时，会产生一种“热电子”，它们会以热的形式迅速损失能量，在被导线捕捉到之前又重新回到初始状态。如果能在热电子冷却前就捕捉到它们，那么光电池的效率上限就会翻一番。

　　解决方案之一是降低电子的冷却速度，为捕捉它们赢得更多时间。去年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳（Xiaoyang Zhu，音译）和同事将注意力投向了一种量子点，每一个点只包含数千个原子。他们将硒化铅量子点沉积在一层导电的二氧化钛（一种普通材料）上。当光线照在上面时，所产生的热电子损失能量所需的时间要比原先长了1 000倍。美国圣母大学（University of Notre Dame）的普拉山特·卡马特（Prashant Kamat，未参与此项研究）评论道，朱晓阳的团队“确实证明了这一设想是可能实现的”。

　　然而，延缓电子能量损失仅仅是一个方面。目前，朱晓阳的团队正在寻找能让导体将尽可能多的热电子转化为电流的方法，这样，导体本身才不会将它们以热量的形式吸收。

　　在最终得到实用的太阳能电池之前，还有许多困难需要克服。朱晓阳说，“我们需要建立一整套物理理论”，包括热电子究竟如何冷却，它们怎样流入导体等等。他说：“一旦解决了所有这些问题，我们就会知道最终应该使用什么材料。” 朱晓阳预计，这项工作“需要一些时间，但是我有信心取得成功。我希望看到这些新型太阳能电池板安装在自家屋顶上” 。该项目的商业回报将十分可观。

　　废热利用

　　热力发电机

　　形状记忆合金利用废热带来额外能量

　　废热利用热力发电机

　　在美国，人们消费的能源中，有60%白白浪费掉了，其中大部分以热的形式从汽车排气管和发电厂的烟囱中逃走。通用汽车公司的科学家正试图利用一种被称为“形状记忆合金”（shape-memory alloys）的新型材料，来捕捉这些宝贵的能量。形状记忆合金能将热能转化为机械能，进而产生电力。该研究组组长艾伦·布朗（Alan Browne）的第一个目标是，回收汽车排气系统中散发的热能，驱动车载空调或音响系统。

　　布朗计划使用由数条平行的镍—钛合金薄线组成的合金带来收集热能，它能“记住”某种特定形状。所有形状记忆合金都能在两种状态之间来回变换：在较高温度下较坚硬的本态与较低温度下更为柔韧的状态。在这个设计中，合金带绕过呈三角形排列的3个滑轮。其中一角处的合金带接近炽热的排气系统，而另一角则位于温度较低的远端。合金带在高温处收缩，低温处伸张，就会让自己沿这个三角环路转动并带动滑轮旋转，进而通过轴承驱动发电机。温差越大，环路转动越快，产生的能量也就越多。

　　通用汽车公司制造的原型机由一条仅10克重的合金带来产生两瓦特功率，可以点亮一盏小灯。布朗声称，10年内，这种发电机产生的功率就会提高到商用的标准。他还补充说，为家用电器或发电厂冷却塔安装这种记忆合金热力发电机，不存在任何技术障碍。该项目的合作者、美国HRL实验室的材料科学家杰夫·麦克奈特（Geoff McKnight）说，这种合金为先前被认为是无法实现的一些应用领域开辟了新天地，因为即使温差只有10℃，它们也可以使用。

　　通用汽车公司的设计并不复杂，但离实用仍很遥远。形状记忆合金容易疲劳，会变得脆而易碎；需要连续处理3个月才能重新回到“本态”的形状记忆；合金线很难组合成带；如何解决利用空气来有效加热和冷却合金带也是一个挑战。布朗没有具体说明目前如何解决这些问题，而只提到他们不断调整合金线的直径、形状，以及加热和冷却的方式。换句话说，他们正在调试“科学上的和人能想象得到的”所有参数。

　　通用汽车公司并不是唯一一家试图利用废热来产生能量的机构。美国伊利诺伊大学的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研发一种可弯曲的固态材料，它也能将热力转化为电能。如果热力发电机能被安装在现有或未来的设备中，它就会有近乎无限的应用前景：从数千座的冷却塔和工业锅炉，到数以百万计的家用暖气、冰箱和烟囱，还有拖拉机、卡车、火车和飞机。全世界会有数百亿亿焦耳的能量可以被回收利用，极大降低化石燃料的消耗。

　　车辆工程

　　冲击波汽车发动机

　　汽车油耗将降低80%

　　车辆工程冲击波汽车发动机

　　一个多世纪以来，几乎所有轿车和卡车都使用的是活塞式发动机。即便是目前最新型的混合动力车，以及雪佛兰沃尔特电动车这样的全新概念车，也都还在使用小型活塞式发动机来提供动力和为电池充电。然而，美国密歇根州立大学正在研发一种完全不同的、不使用活塞的发动机。它被称为波—转子发动机（wave-disk engine）或冲击波发动机（shock-wave engine）。如果取得成功，未来混合动力汽车的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大学机械工程教授诺伯特·穆勒（Norbert Müller）是发明者之一，他说，这种紧凑型发动机仅有家用蒸锅大小，需要的部件也比活塞式发动机少得多。这种发动机将不再需要活塞、连杆和汽缸。重量的减轻和燃油效率的提高“能在消耗同样数量燃料的前提下，让一辆装备再生制动装置的插电式混合动力车的行驶距离增加4倍，相应的二氧化碳排放量也会减少80%”。不仅如此，该系统还能使制造成本降低30%。

　　在位于美国东兰辛的实验室里，穆勒和他的研究组正在测试一部波—转子发动机原型。他们的目标是，制造出一台25千瓦（33马力）功率发动机。他希望首台发动机能量转化效率可达30%左右，而目前最好的柴油发动机所能达到的效率是45%。但是，他对改进型发动机能够将效率提升到65%持乐观态度。

　　在传统电火花点火发动机中，火花塞引燃汽缸中汽油和空气的混合物，来推进活塞驱动曲柄轴，曲柄轴再带动车轮旋转。柴油发动机是通过活塞来高度压缩燃料和空气，将它们点燃。燃烧的气体膨胀，将活塞推回去，进而带动曲柄轴。

　　在波—转子发动机设计中，产生动力的过程是在一个旋转的涡轮中进行的。涡轮就像平放在桌面上的电脑风扇（转子），有许多弯曲的叶片和外壳。压缩后的高温空气和燃料经过位于中央的轴，被导入叶片之间的空隙。当高度压缩的混合气体被点燃时，燃烧的气体在有限空间里急速膨胀而形成冲击波，压缩剩余部分的空气；从外壳上反射回来的冲击波也会进一步压缩和加热空气。最后，经过压缩和加热的气体会在恰当时机通过外壳释放出去。压缩气体在弯曲的叶片上施加的力，和气体喷射产生的力一起，驱动转子旋转，进而带动曲柄轴。

　　据波—转子发动机的另一发明人，波兰华沙科技大学（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切纳（Janusz Piechna）介绍说，从1906年起，工程师们就开始研究波—转子装置了，而且它们已经被用在了一些赛车的增压器里。但是，穆勒说，里面不稳定的气流非常难控制。要想预测这些间歇性气流极其复杂的非线性行为，需要进行精细的数值计算，这类计算一直都因为太过费时或不够精确而无法达到要求，该问题直到近几年才得以解决。目前，密歇根州立大学和其他一些研究机构正通过高仿真模拟，来辅助叶片几何形状的精密设计，以及精确到零点几秒的燃烧时间控制，期望得到最佳性能。

　　计算机模型能否最终变成在路上跑的实际产品，我们还不得而知。“波—转子技术的应用可能会很困难，”丹尼尔·E·帕克森（Daniel E. Paxson）说，他在美国航空航天局戈兰研究中心（NASA Glenn Research Center）从事流体模型设计。帕克森