全球7大前沿技術(shù)，讓太陽(yáng)能電池效率翻番？

　　穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉子發(fā)動(dòng)機，并將它們成功應用于更清潔的混合動(dòng)力車(chē)上，從小型摩托車(chē)到家用轎車(chē)和運輸卡車(chē)，他對此似乎毫不懷疑?！斑@只是時(shí)間、努力和想象力的問(wèn)題，當然，還有資金問(wèn)題”。

　　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(chē)排氣管和發(fā)電廠(chǎng)的煙囪中逃走。通用汽車(chē)公司的科學(xué)家正試圖利用一種被稱(chēng)為“形狀記憶合金”（shape-memory alloys）的新型材料，來(lái)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(jìn)而產(chǎn)生電力。該研究組組長(cháng)艾倫·布朗（Alan Browne）的第一個(gè)目標是，回收汽車(chē)排氣系統中散發(fā)的熱能，驅動(dòng)車(chē)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(xiàn)組成的合金帶來(lái)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(tài)之間來(lái)回變換：在較高溫度下較堅硬的本態(tài)與較低溫度下更為柔韌的狀態(tài)。在這個(gè)設計中，合金帶繞過(guò)呈三角形排列的3個(gè)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(huì )讓自己沿這個(gè)三角環(huán)路轉動(dòng)并帶動(dòng)滑輪旋轉，進(jìn)而通過(guò)軸承驅動(dòng)發(fā)電機。溫差越大，環(huán)路轉動(dòng)越快，產(chǎn)生的能量也就越多。

　　通用汽車(chē)公司制造的原型機由一條僅10克重的合金帶來(lái)產(chǎn)生兩瓦特功率，可以點(diǎn)亮一盞小燈。布朗聲稱(chēng)，10年內，這種發(fā)電機產(chǎn)生的功率就會(huì )提高到商用的標準。他還補充說(shuō)，為家用電器或發(fā)電廠(chǎng)冷卻塔安裝這種記憶合金熱力發(fā)電機，不存在任何技術(shù)障礙。該項目的合作者、美國HRL實(shí)驗室的材料科學(xué)家杰夫·麥克奈特（Geoff McKnight）說(shuō)，這種合金為先前被認為是無(wú)法實(shí)現的一些應用領(lǐng)域開(kāi)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(chē)公司的設計并不復雜，但離實(shí)用仍很遙遠。形狀記憶合金容易疲勞，會(huì )變得脆而易碎；需要連續處理3個(gè)月才能重新回到“本態(tài)”的形狀記憶；合金線(xiàn)很難組合成帶；如何解決利用空氣來(lái)有效加熱和冷卻合金帶也是一個(gè)挑戰。布朗沒(méi)有具體說(shuō)明目前如何解決這些問(wèn)題，而只提到他們不斷調整合金線(xiàn)的直徑、形狀，以及加熱和冷卻的方式。換句話(huà)說(shuō)，他們正在調試“科學(xué)上的和人能想象得到的”所有參數。

　　通用汽車(chē)公司并不是唯一一家試圖利用廢熱來(lái)產(chǎn)生能量的機構。美國伊利諾伊大學(xué)的桑吉夫·辛哈（Sanjiv Sinha）正在研發(fā)一種可彎曲的固態(tài)材料，它也能將熱力轉化為電能。如果熱力發(fā)電機能被安裝在現有或未來(lái)的設備中，它就會(huì )有近乎無(wú)限的應用前景：從數千座的冷卻塔和工業(yè)鍋爐，到數以百萬(wàn)計的家用暖氣、冰箱和煙囪，還有拖拉機、卡車(chē)、火車(chē)和飛機。全世界會(huì )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(chē)輛工程

　　沖擊波汽車(chē)發(fā)動(dòng)機

　　汽車(chē)油耗將降低80%

　　車(chē)輛工程沖擊波汽車(chē)發(fā)動(dòng)機

　　一個(gè)多世紀以來(lái)，幾乎所有轎車(chē)和卡車(chē)都使用的是活塞式發(fā)動(dòng)機。即便是目前最新型的混合動(dòng)力車(chē)，以及雪佛蘭沃爾特電動(dòng)車(chē)這樣的全新概念車(chē)，也都還在使用小型活塞式發(fā)動(dòng)機來(lái)提供動(dòng)力和為電池充電。然而，美國密歇根州立大學(xué)正在研發(fā)一種完全不同的、不使用活塞的發(fā)動(dòng)機。它被稱(chēng)為波—轉子發(fā)動(dòng)機（wave-disk engine）或沖擊波發(fā)動(dòng)機（shock-wave engine）。如果取得成功，未來(lái)混合動(dòng)力汽車(chē)的油耗就能降低80%。

　　密歇根州立大學(xué)機械工程教授諾伯特·穆勒（Norbert Müller）是發(fā)明者之一，他說(shuō)，這種緊湊型發(fā)動(dòng)機僅有家用蒸鍋大小，需要的部件也比活塞式發(fā)動(dòng)機少得多。這種發(fā)動(dòng)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(dòng)裝置的插電式混合動(dòng)力車(chē)的行駛距離增加4倍，相應的二氧化碳排放量也會(huì )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(shí)驗室里，穆勒和他的研究組正在測試一部波—轉子發(fā)動(dòng)機原型。他們的目標是，制造出一臺25千瓦（33馬力）功率發(fā)動(dòng)機。他希望首臺發(fā)動(dòng)機能量轉化效率可達30%左右，而目前最好的柴油發(fā)動(dòng)機所能達到的效率是45%。但是，他對改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機能夠將效率提升到65%持樂(lè )觀(guān)態(tài)度。

　　在傳統電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機中，火花塞引燃汽缸中汽油和空氣的混合物，來(lái)推進(jìn)活塞驅動(dòng)曲柄軸，曲柄軸再帶動(dòng)車(chē)輪旋轉。柴油發(fā)動(dòng)機是通過(guò)活塞來(lái)高度壓縮燃料和空氣，將它們點(diǎn)燃。燃燒的氣體膨脹，將活塞推回去，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。

　　在波—轉子發(fā)動(dòng)機設計中，產(chǎn)生動(dòng)力的過(guò)程是在一個(gè)旋轉的渦輪中進(jìn)行的。渦輪就像平放在桌面上的電腦風(fēng)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(jīng)過(guò)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(diǎn)燃時(shí)，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(lái)的沖擊波也會(huì )進(jìn)一步壓縮和加熱空氣。最后，經(jīng)過(guò)壓縮和加熱的氣體會(huì )在恰當時(shí)機通過(guò)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(chǎn)生的力一起，驅動(dòng)轉子旋轉，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄軸。

　　據波—轉子發(fā)動(dòng)機的另一發(fā)明人，波蘭華沙科技大學(xué)（Warsaw University of Technology）的副教授雅努什·皮埃切納（Janusz Piechna）介紹說(shuō)，從1906年起，工程師們就開(kāi)始研究波—轉子裝置了，而且它們已經(jīng)被用在了一些賽車(chē)的增壓器里。但是，穆勒說(shuō)，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(xiàn)性行為，需要進(jìn)行精細的數值計算，這類(lèi)計算一直都因為太過(guò)費時(shí)或不夠精確而無(wú)法達到要求，該問(wèn)題直到近幾年才得以解決。目前，密歇根州立大學(xué)和其他一些研究機構正通過(guò)高仿真模擬，來(lái)輔助葉片幾何形狀的精密設計，以及精確到零點(diǎn)幾秒的燃燒時(shí)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(shí)際產(chǎn)品，我們還不得而知?！安āD子技術(shù)的應用可能會(huì )很困難，”丹尼爾·E·帕克森（Daniel E. Paxson）說(shuō)，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。帕克森認為，密歇根州立大學(xué)的研究 “毫無(wú)疑問(wèn)是超前了”。他的評論既包含著(zhù)務(wù)實(shí)的懷疑，更有從創(chuàng )新角度的贊賞?！盁o(wú)論最終的結果是什么，我確信他們都會(huì )學(xué)到很多”。

　　穆勒相信，他的研究組最終能制造出合適的波—轉子發(fā)動(dòng)機，并將它們成功應用于更清潔的混合動(dòng)力車(chē)上，從小型摩托車(chē)到家用轎車(chē)和運輸卡車(chē)，他對此似乎毫不懷疑?！斑@只是時(shí)間、努力和想象力的問(wèn)題，當然，還有資金問(wèn)題”。

　　家用電器

　　磁體制冷機

　　能為冰箱和房間制冷的特殊合金

　　家用電器磁體制冷機

　　在日常生活中，我們通常使用空調、冰箱和冰柜來(lái)制冷，但它們都需要能量驅動(dòng)，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項依賴(lài)于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著(zhù)降低這部分能耗。

　　大多數商業(yè)化制冷機，都是通過(guò)反復壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來(lái)制冷。隨著(zhù)制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話(huà)，它們的每一個(gè)分子對大氣層的加熱效率要比一個(gè)二氧化碳分子至少高1 000倍。

　　美國宇航公司（Astronautics Corporation of America）的研究人員正在研發(fā)一種不使用壓縮機，而是基于磁體的新型制冷機。從某種程度上來(lái)說(shuō)，所有磁性材料都會(huì )在被置入磁場(chǎng)后升溫，在移出磁場(chǎng)后降溫，這一特性被稱(chēng)為“磁致熱效應”（magnetocaloric effect）。原子通過(guò)自身振動(dòng)貯存能量；而當外加磁場(chǎng)將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動(dòng)時(shí)，金屬原子的振動(dòng)就會(huì )加強，溫度隨之增加。移除磁場(chǎng)后，溫度則會(huì )降低。雖然這一效應早在1881年就被發(fā)現，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來(lái)說(shuō)，只有在極低的溫度下使用超導磁體，才能將這種效應最大化到產(chǎn)生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛(ài)艾姆斯實(shí)驗室（U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory）的材料科學(xué)家偶然發(fā)現，一種由釓、硅和鍺構成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應。自那時(shí)