电费刺客终结者！德国工程师造“借温”风扇，40℃高温自主降温

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　　辐射冷却技术能够通过向天空散发热量，使物体温度降至环境温度以下。这一过程产生的功率通量虽可用于发电，但现有设备往往依赖难以量产的低带隙半导体或稀土材料。

　　本文提出了一种替代方案：利用斯特林发动机将地球环境辐射转化为机械能。全年户外实验数据显示，在多数月份中，该装置能维持超过10°C的温差，实现超过400毫瓦/平方米的机械功率输出，理论潜力更可达6瓦/平方米以上。研究团队进一步将该技术应用于空气循环系统，成功驱动风扇产生超过0.3米/秒的风速，其体积流量潜力足以满足温室二氧化碳循环及住宅建筑室内热舒适性的需求。

　　能量转换装置的核心机制通常依赖于物体间的温差。光伏电池和太阳能热装置便是典型的例子，它们利用太阳与地球之间的热力学系统，直接从太阳辐射中获取能量。然而，太阳能并非全天候可用，且人类的用电高峰往往与发电高峰存在时间上的错配。这意味着，若缺乏大规模储能系统，零排放的未来将难以仅靠太阳能维系。

　　为此，一种基于地球（约27°C）与外太空（约-270°C）巨大温差的发电方案应运而生，该系统具备全天候运行的潜力。 当通过辐射耦合发电时，设备需从本地环境中吸收热量，并在8至13微米的波段展现出强辐射特征。这一波段是大气的“透明窗口”，辐射能可以穿透它，直接与寒冷的太空进行能量交换。这种物理现象也是地球在夜间向太空散热的主要途径，并被科学界视为减缓全球变暖的潜在策略之一。

　　对于地面设备而言，直接与深空耦合存在技术难度；但与低温的天空耦合已足以产生显著效果。这一原理已被广泛应用于建筑及基础设施的被动冷却，以降低能耗。尽管已有通过热电发电机或低能隙半导体将此类辐射转化为电能的先例，但受限于功率输出低及对稀土元素的依赖，这些方案难以实现大规模应用。

　　本研究通过改良型的“低温差斯特林发动机”，实现了辐射冷却引擎直接将辐射能转化为机械能的突破。在概念验证实验中，我们将引擎与夜空进行辐射耦合，在地球表面实现了夜间持续输出超过400毫瓦/平方米的功率——而此时，传统光伏系统完全处于停滞状态。实验证明，通过集成直流电机，该设备能同时输出机械能与电能。 在模拟温室环境的测试中，该引擎被改造为风扇，提供了促进植物生长所需的二氧化碳循环气流。同样，仅需约10°C的微小温差，即可满足美国供暖、制冷与空调工程师学会推荐的室内热舒适风速标准，这为减少甚至消除额外的电力空气循环需求提供了可能。

　　研究成果：室外测量 为实现预期的温差，引擎底板与地表直接接触以传导热量，顶板则通过光学方式面向天空。顶板涂有特殊的红外辐射涂料，确保其对天空具有极强的辐射发射能力；底板则通过一个深埋入土5厘米的铝制支架与大地热源连接。

　　在位于美国加利福尼亚州戴维斯市的开阔农田进行的夜间测试显示：随着日落，太阳辐射归零，来自天空的下行红外辐射持续衰减。监测发现，日落后引擎的顶板与底板之间保持了约10°C的稳定温差，这股热动力驱动发动机飞轮以约1赫兹的频率持续旋转。

　　全年实验表明，在加州戴维斯市的大多数夜空条件下，均可获得满足引擎运行的温差。 尽管引擎板的绝对温度随季节波动，但其温差与运行频率始终保持相对稳定。值得注意的是，大气中的水汽是影响效率的关键变量——在雨量充沛、云层覆盖的冬季，性能会有所下降；而在干燥晴朗的夏季，性能则优于平均水平。这是因为大气中的水分子在红外波段具有强辐射特性，会“阻挡”地表向太空散热的通道。

　　发动机功率特性分析 除现场测试外，实验室针对特定温差开展了一系列补充实验。通过加热板控制底板温度，并用定制水冷块调节顶板温度，我们在25种不同的温差条件下对引擎进行了稳态运行测试。

　　数据分析显示，尽管斯特林发动机的频率与温度呈非线性关系，但在测量范围内，功率输出与温差呈现出相对线性的关联。基于该发动机的韦斯特数，其运行效率达到了卡诺效率的13%。换算成实际应用场景，对于一种冷却功率为100瓦/平方米的有效辐射冷却材料，仅需约1.6平方厘米的朝天面积，即可产生0.1毫瓦的测得功率。

　　除了直接产生机械动力，该引擎经改造后亦可同步发电。我们设计了3D打印的电机支架，将小型直流电机与斯特林发动机轴连接。测试表明，即便在连接直流电机并产生电能的情况下，发动机仍有约一半的机械能可供利用，实现了机械能与电能的“双重输出”。 这些额外的电能可用于为低功耗设备供电、充电，或作为启动装置，在云层遮挡导致温差暂时不足后重新启动引擎。

　　机械应用 辐射冷却发动机在空气循环领域的应用潜力巨大。我们将飞轮替换为定制的3D打印风扇叶片，将斯特林发动机转化为轴流风机。

　　在模拟温室环境（室内29°C，有效辐射冷却器7°C）的测试中，风扇产生了接近0.3米/秒的径向风速——这正是温室中循环二氧化碳的推荐数值。在更广泛的温度梯度测试中，即便在低温差条件下，风扇也能产生0.15至0.2米/秒的风速，符合ASHRAE关于建筑物内部热舒适度的标准。

　　更引人注目的是，当温差超过30°C时，风机前方的体积流量接近每分钟5立方英尺。这一数值已达到ASHRAE规定的图书馆、法庭等公共建筑的最小人均通风量标准。这意味着，利用温暖的室内环境作为热源，屋顶辐射冷却作为“散热器”，可以直接嵌入一套完全被动的空气循环系统。 它既能保障公共场所的空气流通，也能调节农业温室的湿度与气体水平，而这一切过程无需消耗任何外部电力。

　　讨论 利用夜间辐射发射产生温差的方法，在地理上具有广泛的适用性。为评估其全球潜力，我们构建了卡诺极限引擎模型，结合美国国家航空航天局的云与地表辐射能系统及中分辨率成像光谱仪数据进行了分析。

　　结果显示，在干旱地区和高海拔山脉，由于大气下行辐射最低，功率密度达到峰值；而在森林茂密的区域，湿度的增加限制了冷却效率。平均性能最佳的区域包括非洲撒哈拉地区、欧亚大草原以及夏季的南极洲。 具有讽刺意味的是，这些往往是传统可再生能源产量较低的地区，因此该技术成为了理想的替代能源方案。

　　从气候变化的角度看，地球目前的吸热量略高于散热量，导致了全球变暖。辐射冷却引擎通过增强大气“透明窗口”的辐射发射，本质上是在通过将地表热量“送往”太空来做功。这不仅产生清洁能源，还在物理层面上协助地球散热，对抗温室效应。

　　虽然目前的演示仅为概念验证，但优化空间依然巨大。例如，在真空腔体中使用定制辐射冷却材料可大幅提升功率；利用工业或住宅废热作为热源可创造更大的温差。必须强调的是，当前的设备主要针对夜间运行设计，这使其与太阳能光伏技术形成了完美的互补关系。

　　综上所述，我们证实了斯特林发动机利用地球环境辐射进行机械做功的可行性。这不仅为夜间可再生能源提供了一种可扩展的创新方案，更在被动式空气循环和缓解气候变化方面展现出独特的应用价值。

　　在戴维斯郊外的农田里，夜色笼罩了一切。没有电缆的嗡嗡声，也没有燃料燃烧的烟气，只有一个小小的金属飞轮，在星光下无声地旋转。它旋转的动力，源自脚下尚有余温的泥土与头顶几亿光年外那深邃寒冷的虚空之间的“对话”。

　　这是一种极其安静的力量。长久以来，人类习惯了向太阳索取，习惯了燃烧，习惯了在剧烈的化学反应中寻找动能。但这个装置提醒我们，寒冷本身也是一种资源，虚空并非一无所有。它不仅是生命的背景，也是能量的归宿。

　　当热量穿过大气层那扇看不见的窗户，逃逸向宇宙深处时，它并没有白白流失，而是轻轻推动了地面的扇叶。那一刻，地球仿佛在呼吸。这种呼吸微弱、持续，却蕴含着一种古老而朴素的智慧：在炽热的进取之外，学会利用“失去”和“冷却”，或许是我们在这个逐渐变热的星球上，必须修习的一课。

　　作者：特里斯坦·J·德佩 (Tristan J. Deppe)，杰里米·N·芒迪 (Jeremy N. Munday)