利用地球周围的辐射来发电

发电设备通常通过利用两个物体间的温差来工作。光伏电池和太阳能热装置是典型例子，它们利用日地热力学系统直接从太阳辐射中获取能量。然而，太阳并非随时可利用，且用电高峰常出现在发电高峰之后。这种时间不匹配使得在零排放未来，若没有大量储能能力，我们无法仅依赖太阳能（1-3）。一种替代的双温系统被提出用于发电，其由地球（27°C）和外太空（-270°C）组成（4），可24小时利用。为使该系统通过辐射耦合发电，装置需从当地环境吸热，并在8-13微米波段有强发射特性，使辐射能通过大气透明窗直接与太空耦合。这种现象也使地球在夜间向外太空散热，并被提议作为减缓全球升温的潜在策略（5, 6）。对于地面装置，难以仅与太空耦合，但与凉爽的天空耦合已足够，且已被用于通过被动冷却建筑物等结构来降低能耗（7-15）。已有几种方法利用此概念将当地环境辐射转化为电能。尽管可行，但这些方法需要低带隙半导体器件（16-18）或热电发电机（19, 20），它们不易规模化，因为输出功率相对较低，且制造通常需要稀土元素。

在本研究中，我们实现了一种辐射冷却发动机，通过改进的低温差（LTD）斯特林发动机直接从辐射发射中产生机械动力。我们的概念验证演示将发动机与天空进行辐射耦合，在地球上整个夜间持续产生>400毫瓦/平方米的功率，而传统光伏在夜间无法发电。我们发现，加入直流电机可使同一装置同时产生机械和电力。利用温室中典型的温差，我们将发动机改装成风扇，提供促进植物生长所需的CO2循环风速。同样，较小的温差（约10°C）可达到美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）推荐的建筑物内热舒适风速，使用辐射冷却发动机时可减少或无需额外的空气循环。

户外测量显示，发动机底板与地球表面直接热接触，顶板通过红外发射涂料与天空光学耦合。在加利福尼亚州戴维斯市的开阔农田中进行的夜间实验表明，日落后板间可稳定维持约10°C温差，使发动机飞轮以约1赫兹的频率旋转。全年实验发现，该发动机在干燥夏季（晴朗低湿）性能最佳，冬季（多云多雨）性能下降，这与大气中水汽浓度影响辐射冷却功率有关。

实验室功率表征实验显示，发动机输出功率与温差呈相对线性关系。基于其韦斯特数，发动机运行效率达卡诺效率的13%，对于冷却功率为100瓦/平方米的材料，功率密度可达400毫瓦/平方米。通过连接直流电机，发动机可同时产生机械和电力，尽管电能转换效率较低，但仍有约一半机械能可用。

将飞轮替换为风扇叶片后，该发动机可用于空气循环。在模拟温室环境（热板29°C、冷板7°C）下，风扇风速接近0.3米/秒，满足植物生长所需的CO2循环要求；在约10°C温差下，风速达ASHRAE推荐的建筑物热舒适标准（0.15-0.2米/秒）；温差>30°C时，流量超5立方英尺/分钟，可满足公共建筑最小通风需求。

全球潜力分析表明，利用NASA的CERES和MODIS数据，该发动机在干旱地区、山脉（如撒哈拉以南非洲、欧亚草原、南极夏季）性能最佳，这些地区可再生能源产量低，是替代能源的理想目标。此外，该技术还可通过将地球热量转化为可用功率来助力减缓气候变化。

优化方向包括：使用定制辐射冷却材料和真空外壳改善光学耦合、增大接触面积和采用高导热材料增强地面热耦合、扩大发动机腔室和使用He/H作为工作流体提升功率、利用废热源及优化实现昼夜运行等。与热电发电机等固态方法相比，该辐射冷却发动机在直接需要机械功或气流的应用中具有独特优势。

总之，本研究证明斯特林发动机可利用地球环境辐射产生机械功和电力，户外实验验证了其实际能力，全球气候数据外推显示了广泛应用前景。该技术在空气循环等领域的应用对农业生产和人类健康具有积极影响，且具有创新、可扩展的特点，同时有助于夜间可再生能源发电和气候变化缓解。