高盛分析师“转职”科学家,革新热离子转化器,将家用燃气设备变成发电机

科学
高盛分析师“转职”科学家,革新热离子转化器,将家用燃气设备变成发电机
麻省理工科技评论 2020-08-16

2020-08-16

新型的热离子转换器,大幅提升了能量的转化效率。
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新型的热离子转换器,大幅提升了能量的转化效率。

今天,我们如此享受电力所带来的便利,但很少有人关心,我们主要依赖的集中式蒸汽发电已经驱动世界运转了超过一个世纪。

如今,出生于台湾高雄,哈佛大学物理系博士毕业的华人科学家潘世昂(Tony Pan),正在试图为每个家庭带来新的发电方式:将你家中多余的热能有效转化成电能。

他参与创立的公司 Modern Electron 参考了传统的热离子转换器——能够将热能直接转化为电能的老旧技术——通过计算机模拟和应用新材料,开发出了新型的热离子转换器,提升了能量的转化效率。

潘世昂也因此入选了《麻省理工科技评论》2020 年度全球 “35 岁以下科技创新 35 人” 全球榜单(TR35)。

潘世昂认为,Modern Electron 的技术能够将家用的燃气热水器、锅炉等变成迷你家用发电机,在家就能发电。他表示,这将会是一种比集中发电更便宜、更有效率的家用发电方式,尤其是与家用太阳能电池结合使用的时候。

家用分布式发电系统

将热能转化成电能不是一个新的概念,事实上,这项技术已经成熟应用了数十年。

比如需要在太空当中长时间工作的卫星,过去有些搭载热离子空间核电源,原理是将核反应堆裂变产生的热能通过热离子能量转换器,直接转变为电能,从上个世纪美苏太空竞赛开始,人类对这一技术已有长期的研究,如今热离子空间核电源尺寸小、重量轻、寿命长,是不少航天器中的理想电源。

显而易见,带着核反应堆的电源不可能出现在家用场景当中。潘世昂所在团队想要做的,就是革新这项旧有技术,将太空中使用的能量转换器带入家庭,利用家中煤气炉、热水器工作时产生的热能,转化成电能。该电能可以直接在家里使用或储存起来。

其工作原理也易于理解,热电转换系统的核心部件之一就是热离子能量转换器,主要由承担放出电子的高温电极 (发射极) 和与之面对面放置的低温电极 (接收极) 构成 。两片金属电极之间是真空状态,任何来自外界的热量聚集,会激发其中一块金属板上的电子越过缝隙,到达另一块温度更低的金属板,从而产生电流。

这个热离子能量转换器也正是潘世昂团队开发工作的关键。关键目标在于:1、提升能量转化效率;2、降低能量转化时所需要的温度,毕竟在家庭场景中,通常火焰温度就已经是最高的,而这远低于过去离子空间核电源的热能。

高盛分析师转职科学家,革新热离子转化器将家用燃气设备变发电机

图|内置在热水器内的转换器能将多余热能转化成电能

潘世昂向 DeepTech 解释,要实现转化效率的提升,首先要解决两个问题。

一是提高电子离开发射极的效率,二是提高电子进入接收极的效率。这两个效率与电极表面材料息息相关。他表示,Modern Electron 在材料上实现了突破,效率有重大提升。

事实上,电子在真空中移动并没有那么容易。科学家希望电子能乖乖地从一个电极出来,径直地飞向另一边,最终完成能量转换。但实际上,大量电子一起出现在同一个真空环境中,它们会因带有负电荷而互相排斥,控制其走向是一个相当棘手的难题。

大约 20-30 年前,该领域的科学家曾对热离子能量转换器发起过集中攻关,由于当时无法掌握电子在其中的运动,只能一次又一次改变设计,再进行实验,用超长的时间代价找到效率更高的设计方案。

现在,Modern Electron 开发了专门的软件,借助并行计算、机器学习等技术,短时间内在软件上对电子的运动进行了超过 50 万次模拟。

至于技术细节问题,潘世昂表示,为保护商业机密,暂时不便过多透露。不过,Modern Electron 开发的转换器,在效率上已经达到了过往的 2-3 倍。

效率提升,正是 Modern Electron 转换器的技术核心,但要让转换器真正走入消费者家中,降低使用温度也至关重要。

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图 | 转换器进行实验

在卫星上使用的离子空间核电源,工作温度可达 > 1500 摄氏温度,而潘世昂表示,Modern Electron 已经将转换器的使用温度大幅降低,像燃气灶这样的自然火焰也能让转换器工作,完成能量转化。

而且,Modern Electron 首次使用普通材料制成了热离子能量转换器,从而实现转换器价格的平民化。

目前,公司已经造出了产品的原型机。团队的工作重心也已经不仅专注于技术研究,而且还致力于产品开发阶段。

“与太阳能互补”

我们日常生活当中所用到的所有电力里,有 80% 都是由热能转化而来,每年产值超过 1 兆美元。

回想起最早将能源作为自己和团队的研究方向,潘世昂表示,“100 年来,热能转化成电能的方式都是用汽轮机,至今未变。这就有一个问题,在如此重要的领域,我们仍在沿用一些很古老的技术。所以我就想,如果能在能源转化上取得一个突破,在某些情况下比汽轮机更好,那就是对人类有巨大贡献。”

先锚定问题,再寻找解决问题的技术路线。对个人来说,这并不是一个常见的选择,毕业于哈佛大学物理系的潘世昂,没有在自身专业背景的基础上继续走下去,进而寻求技术商业化。

大约 2011 年,潘世昂还在哈佛读博士期间,就开始对能源问题产生了兴趣。原因很简单,他希望能在能源领域取得一个较大的突破,未来的目标是让全球所有人都有可靠且便宜的能源,而各种能源当中,最重要的就是电力。

他找到同样对这一问题感兴趣的合作伙伴,一起从问题出发,寻求合适的技术路线。

在早期阶段,这只是潘世昂学业之余的事情。2014 年,他从哈佛大学毕业,开始全身心投入其中,2015 年,Modern Electron 成立,原因也正是他们看到了成功的希望。

公司成长至今将近 5 年的时间,团队规模还维持在 25 人左右,累计获得了约 3000 万美元融资。

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他表示,公司在前四年时间里,工作重心就是技术开发,而如今已经到了产品开发的阶段。他对 DeepTech 说,“so far,so good”。

下一阶段,Modern Electron 要做的事情就是把转换器真正嵌入不同的家用产品当中,比如煤气炉、热水器等有产热能力的产品中。就像 “热能收割机” 一样,用户在使用这些产品时,转换器就位于高温区域,汲取未能充分利用的能量,默默地将其转化成电能。

在最终产品上,潘世昂说现在我们想扩展到亚洲市场,希望能与更多类似煤气炉、热水器之类的公司合作,转换器能像产品的附加套件一样,在尽量减少改变原有产品的情况下,安装在其中。

如此一来,通过转换器获得的电能或许不能说是完全免费,但也必然是非常低成本的。这对用户来说即可降低家庭的整体用电成本。

以欧洲家庭为例,日常用能平均有 80% 是热能, 剩下 20% 是使用电能。在这种相对更加依赖热能的家庭里,通过转换器获得的电能足以满足一半以上的家庭电能消耗。

不过,不同地区的能源消耗习惯会带来不同的效果,比如新加坡大概不会是 Modern Electron 的目标市场,那里地处热带,在热能的依赖上显然低于其他地区,转换器所带来的收益也会相应降低。

高盛分析师转职科学家,革新热离子转化器将家用燃气设备变发电机

在产品的最后价格上,潘世昂表示,用户在转换器上的投入可以在几年时间里通过节省用电“回本”,用的越久就越省钱。

这个逻辑与目前广泛使用的家用太阳能发电系统有相像之处:一次性前期投入,后期持续为用户省钱。

Modern Electron 看到其转换器产品可以和已有的太阳能发电系统形成完美互补的潜力。在一般时候,用户在家中可以依靠房顶的太阳能板提供电力;而在夜间、阴天或冬季,Modern Electron 的发电系统可以作为很好的补充。

潘世昂认为,如果其公司的产品被广泛采用,将可以减少人们对煤炭、天然气发电厂的依赖。而且,这些发电厂在燃烧和电力传输的过程当中会出现大量能量损耗,因此,这项技术可以反过来减少电力行业的温室气体排放。此外,Modern Electron 的热电联产可以随时提供电力,因此可以补充间歇性的可再生太阳能和风能。

永远在寻找和解决问题

成立公司,作为创始人带着团队前进,这对潘世昂是一件完全陌生的事情。好在,他从不排斥未知,甚至是有意追求陌生的挑战。

他喜欢解开每一个他感兴趣的问题。在这个意义上,能源是一个问题,运营公司也是一个问题,这些问题对他来说都像是兴奋感的来源。

高盛分析师转职科学家,革新热离子转化器将家用燃气设备变发电机

他说,人生就是要不断学习。这听起来像是一句心灵鸡汤。但在轻松讲出这句话之前,他确实是这样做的,总是对新的问题产生研究兴趣,然后学习、解决,之后,他又会投入到新的问题当中。

甚至在他一路泡在科研、科技领域的履历里,穿插了一个看起来颇不协调的工作经历:高盛策略分析师。

2008 年,潘世昂从斯坦福本科毕业后,进入正处在金融风暴最中心的华尔街,在与自己专业完全不相干的高盛工作了一年。风暴当中,潘世昂所在的部门裁员了很多人,但他坚持了下来。

在他眼里,为了高薪进入华尔街,仅仅是为了解决当时父亲去世了,家里面临的经济问题。除此之外,他自己没能在其中获得多少工作的意义。也正因此,丰厚的薪水未能让他留恋高盛,当经济问题解决了,高薪的意义也就非常有限。所以第二年,他辞职了,潘世昂重返学校,从事科研工作。

在读博阶段,他又开始对能源问题动了心,期间花了近半时间研究能源问题,这也是 Modern Electron 的起点。

如今作为公司的 CEO,潘世昂更多的心思都花在管理团队,维持公司运转,面对投资人、消费者,留给纯粹技术的时间已经比过去少很多。

他告诉 DeepTech,成立公司、开发产品与纯粹的科研工作虽然有一定的相似之处,甚至是在解决类似问题,但两者路径却截然不同。

“干公司事实上也是一个很大的学问,我也是花了好几年时间很认真地在学怎么当一个好的 Leader、怎么当一个好的 Manager。”潘世昂一边笑,一边认真地说,“I'm a nerd ,我就喜欢学习不同的东西。”

“换到一个新的研究领域、做不同的事情当然不简单,但我想办法追上就是了。”公司成立至今 5 年,他和 Modern Electron 想解决的问题仅仅完成了一半。

“如果 Modern Electron 如你所愿在能源领域获得了成功,你是不是会很快找到新的问题、投入到新的事情当中?”

“其实 Modern Electron 现在做的事情已经够大了,如果我们把这件事情解决,就已经是一个对世界的贡献了,”潘世昂停住话头,想了想又说,“让二氧化碳真正变零是一个很重要的问题,事实上团队在这个问题上已经有了初步的解决思路,但现在我们先保持这个秘密。”

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