19世紀(jì)末，近現(xiàn)代最偉大的發(fā)明家尼古拉·特斯拉提出了利用輻射能和環(huán)境能量的設(shè)想，認(rèn)為人類將獲得取之不盡的自由能源，由此奠定了他作為自由能源之父的歷史地位。尼古拉·特斯拉是循著兩個(gè)方向開展自由能源研究的;一是利用外太空粒子輻射能(美國(guó)專利685,957)。其二是利用環(huán)境能量Energy of the medium。

尼古拉·特斯拉認(rèn)為太陽以及外太空星體不斷發(fā)出“粒子”輻射，這些“粒子”帶有正電荷，而地球則充滿負(fù)電荷。在盡可能高的高空架設(shè)天線捕捉正電“粒子”并通過導(dǎo)線與地球這個(gè)負(fù)極相連就可以產(chǎn)生巨大的、源源不斷的能量。我不知道尼古拉·特斯拉提到的“粒子”是否就是人們?cè)谔剿鞯陌滴镔|(zhì)。他本人則很快意識(shí)到這個(gè)裝置不可行，隨即轉(zhuǎn)入對(duì)環(huán)境熱源的研究。

尼古拉·特斯拉設(shè)計(jì)的利用環(huán)境溫度的熱機(jī)稱為自運(yùn)行熱機(jī)Self Acting Engine。他在1900年發(fā)表的“關(guān)于增加人類能量”The Problem of Increasing Human Energy一文中提出了具體設(shè)想，并透露這一想法是在他看到卡諾和開爾文爵士不可能制造出一種從環(huán)境熱源取熱的熱機(jī)“it is impossible for an inanimate mechanism or self-acting machine to cool a portion of the medium below the temperature of the surrounding, and operated by the heat abstracted”觀點(diǎn)后產(chǎn)生的。尼古拉·特斯拉認(rèn)同卡諾和開爾文的熱力學(xué)理論。認(rèn)為地球與外太空存在的溫差可以利用。其自運(yùn)行熱機(jī)的設(shè)計(jì)原理是;環(huán)境溫度所處的溫階高于絕對(duì)零度，可以利用較少的能量制造出一個(gè)冷洞，熱向冷流動(dòng)輸出功。

同時(shí)期1881年，約翰·加姆吉John Gamgee獲得政府批準(zhǔn)為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)制造了稱為零發(fā)動(dòng)機(jī)的船舶動(dòng)力裝置，該裝置利用海水熱量使液氨汽化推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。但裝置無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)樵跊]有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l件下，汽化后的氨無法重新液化，不能完成循環(huán)。

人們將上述失敗歸咎于違背了熱力學(xué)第二定律，即開爾文的表述“不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響”。“第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)”。第二類永動(dòng)機(jī)是指從單一熱源取熱，例如試圖制造一種從海水取熱做功的機(jī)器。這種做法不違背第一定律能量守恒，但違背第二定律。

地球表面有10億立方千米的海水，若以海水為熱源，哪怕把海水的溫度只降低0.25度，釋放出的熱量將能轉(zhuǎn)化成一千萬億度的電能。我們知道，地球所有的能量包括人類生命體本身都來自太陽，一小時(shí)光照可滿足人類一年的能源需求。沒有光照的時(shí)間里，太陽輻射能以熱的形式存在于淺層土壤、水系和大氣中。失去太陽地球表面將降到-200℃。這即是說我們周圍處處都充滿著能量。這能量對(duì)人類來說無限大。

一、時(shí)空對(duì)話

距離尼古拉·特斯拉提出自運(yùn)行熱機(jī)的時(shí)代已經(jīng)過去了130多年。物轉(zhuǎn)星移，在某種意義上，今天的光伏和光熱技術(shù)已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了尼古拉·特斯拉利用太陽輻射能的設(shè)想。光伏技術(shù)Photovoltaic利用光電效應(yīng)將太陽部分光譜轉(zhuǎn)換為電力。光熱技術(shù)Solar Thermal通過熱機(jī)將太陽光聚焦后產(chǎn)生的高溫轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。然而，這兩種方法受光照時(shí)間、能流密度限制，存在不可克服的硬約束，即必須增加采光面積才能獲得更多能量。此外，它們目前的應(yīng)用成本高于化石能源,且不能高速、密集的采集能量。

人類正處于征服外太空的時(shí)代，未來對(duì)能源的需求如此巨大，100年后回頭看，我們今天能源消耗的規(guī)?；蛟S只相當(dāng)于遠(yuǎn)古利用薪柴的時(shí)代。以目前的光伏、光熱技術(shù)路線，即便我們將地球表面鋪滿硅板也難以滿足未來的能源需求。此時(shí)，回想尼古拉·特斯拉以及那個(gè)科技爆炸時(shí)代的偉人們，他們天才的想象力和無畏的科學(xué)探索精神無疑給予我們啟發(fā)和激勵(lì)。我們需要重新審視尼古拉·特斯拉有關(guān)自由能源的初衷，做一場(chǎng)跨越時(shí)空的對(duì)話。

二、自由能源與可再生能源

人們將自由能源Free Energy定義為“不受常規(guī)性社會(huì)力量約束，可由任何人自由獲取并能自由使用，無污染且能量非常充裕的免費(fèi)能源”。

自19世紀(jì)80年代，尼古拉·特斯拉提出自由能源概念以來，關(guān)于自由能源的研究、探索和爭(zhēng)論此起彼伏、經(jīng)久不息。狹義的說，自由能源技術(shù)集中在以下七個(gè)領(lǐng)域：輻射能、永磁能、機(jī)械加熱器、超效率電解、爆聚、冷融合、太陽能輔助熱泵。100多年過去了，這些技術(shù)未獲得任何實(shí)質(zhì)意義上的突破。以致主流觀點(diǎn)認(rèn)為它們是偽科學(xué)。我個(gè)人傾向認(rèn)為判斷一項(xiàng)能源技術(shù)是否是偽科學(xué)的唯一的標(biāo)準(zhǔn)是看它是否違背了熱力學(xué)?？萍及l(fā)展史證明，脫離熱力學(xué)的探索和討論不具任何意義，100多年來任何試圖挑戰(zhàn)熱力學(xué)的努力都被碰得頭破血流，這也可以解釋為什么有關(guān)自由能源的討論日益歸于沉寂。

按照上述自由能源定義來理解，所謂的自由能源實(shí)際就是可再生能源Renewable Energy，堅(jiān)守?zé)崃W(xué)原理的人在這一點(diǎn)上理應(yīng)達(dá)成共識(shí)?；谶@個(gè)共識(shí)，自由能源領(lǐng)域中的輻射能和太陽能輔助熱泵技術(shù)屬于可再生能源。

三、歷史誤會(huì)?

基于上述共識(shí)，回過頭來看尼古拉·特斯拉的自運(yùn)行熱機(jī)，Gamgee的零發(fā)動(dòng)機(jī)等所謂的第二類永動(dòng)機(jī)，可以發(fā)現(xiàn)我們陷入了一個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)。被人們?cè)嵅〉膹膯我粺嵩慈岬牡诙愑绖?dòng)機(jī)根本就不曾存在。因?yàn)?，?shí)際我們不可能用相同或更高的溫度從單一熱源的海洋中取熱，除非利用低溫，而這就必然形成換熱溫差，出現(xiàn)兩個(gè)熱源。

尼古拉·特斯拉本人沒有公布自運(yùn)行熱機(jī)采用何種介質(zhì)。零發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)為液氨，沸點(diǎn)-33℃，當(dāng)液氨從海水吸熱蒸發(fā)必然會(huì)導(dǎo)致局部海水變冷。被冷卻的海水可以作為熱機(jī)的低溫?zé)嵩矗@與我們今天利用液化天然氣LNG(沸點(diǎn)-161℃)蒸發(fā)制冷降低熱機(jī)冷凝端低溫?zé)嵩礈囟鹊淖龇ㄈ绯鲆晦H。遺憾的是100多年來，這一冷量一直被忽視，包括設(shè)計(jì)者本人。這或許是他們失敗的原因所在。

所謂“第二類永動(dòng)機(jī)”是一個(gè)開放系統(tǒng)，它不斷從環(huán)境能量獲得負(fù)熵流并將其轉(zhuǎn)換為功從而保持系統(tǒng)的熵平衡，正如新陳代謝之關(guān)乎人生命的創(chuàng)造和延續(xù)。上述關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)的觀點(diǎn)非但沒有否定第二定律，恰恰相反更加證明了第二定律。因?yàn)閺膯我粺嵩慈岫划a(chǎn)生換熱溫差本身不可實(shí)現(xiàn)。

利用環(huán)境溫度的熱機(jī)循環(huán)包括一個(gè)吸熱過程和兩個(gè)制冷過程;蒸發(fā)制冷和膨脹制冷。低沸點(diǎn)工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱與制冷(對(duì)被吸熱物體而言)等量，膨脹機(jī)絕熱膨脹輸出功(消耗內(nèi)能)與膨脹制冷等量。由于顯熱部分經(jīng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)化為功，工質(zhì)冷凝放熱必然小于蒸發(fā)吸熱Q2=Q1-WQ1相反。假定Gamgee的零發(fā)動(dòng)機(jī)以海水為高溫?zé)嵩碩1，液氨吸熱蒸發(fā)制冷為低溫?zé)嵩碩2，那么，只需投入較少的壓縮功將氨的液化溫度提升至T2，而非T1溫度之上就可以使氨的潛熱得以釋放重新液化。在這里，工質(zhì)的汽化潛熱與凝結(jié)潛熱相等，顯熱轉(zhuǎn)化為功。換言之，工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱包括汽化潛熱和顯熱，顯熱經(jīng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)化為功，我們只需投入與凝結(jié)潛熱等值的壓縮功就可以完成循環(huán)。這一循環(huán)過程熱機(jī)凈賺了一個(gè)顯熱。

熱機(jī)的效率取決于工質(zhì)沸點(diǎn)與海水的溫差減去換熱損耗。海水25℃，換熱效率90%，零發(fā)動(dòng)機(jī)(液氨)的卡諾效率理論值約17%，實(shí)際值約7%，兩倍于海洋溫差發(fā)電OTEC。理論上，采用的工質(zhì)沸點(diǎn)與環(huán)境的溫差越大，熱機(jī)效率越高。綜合考慮臨界溫度、臨界壓力、飽和蒸汽壓、沸點(diǎn)等因素，氨顯然不是最合適的介質(zhì)，某些工質(zhì)的效率遠(yuǎn)高于氨。例如二氧化碳，由于其升華點(diǎn)低于三相點(diǎn)，升華熱大于凝結(jié)熱，甚至無需對(duì)乏汽加壓就可能實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的重新液化，我發(fā)明的采用二氧化碳工質(zhì)，以環(huán)境為高溫?zé)嵩?，工質(zhì)蒸發(fā)制冷為低溫?zé)嵩吹臒釞C(jī)稱為太陽輻射能熱機(jī)(PCT/CN2014/000798)，其理論效率可望達(dá)到30%

四、第三種循環(huán)模式

熱力學(xué)循環(huán)包括熱機(jī)循環(huán)和制冷循環(huán)(熱泵循環(huán))，熱機(jī)循環(huán)人為投入熱輸出功，熱泵循環(huán)以環(huán)境為熱源，逆向傳熱輸入功，同時(shí)制冷。兩者都有吸熱，膨脹，放熱、壓縮兩個(gè)等溫、兩個(gè)絕熱過程。

太陽輻射能熱機(jī)循環(huán)(見上圖)是有別于熱機(jī)循環(huán)、熱泵循環(huán)的第三種循環(huán)。它以環(huán)境為高溫?zé)嵩?，工質(zhì)蒸發(fā)制冷為低溫?zé)嵩矗敵龉Φ耐瑫r(shí)制冷。循環(huán)過程其壓縮端置于冷凝端之前。在它身上可以同時(shí)看到熱機(jī)和熱泵的影子;同熱泵一樣，它以環(huán)境為高溫?zé)嵩?，效率與環(huán)境溫度正相關(guān)，運(yùn)行伴隨制冷，都是能量搬運(yùn)而非能量轉(zhuǎn)換，因此不受能量轉(zhuǎn)換效率極限限制，而受卡諾循環(huán)效率制約。同熱泵包括太陽能輔助熱泵本質(zhì)不同的是它沒有逆向傳熱，而是將熱轉(zhuǎn)換為功。

太陽能輔助熱泵作為自由能源主要技術(shù)之一受到普遍關(guān)注。太陽能輔助熱泵是將太陽能集熱器與熱泵的蒸發(fā)器整合成一體，通過提高熱泵工作溫度進(jìn)而提高熱泵效率，再利用熱泵制造的溫差嵌套有機(jī)郎肯循環(huán)ORC發(fā)電。這種技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)凈輸出(只要集熱器的面積足夠大)，但同樣受制于光照時(shí)間和采光面積，受制于逆向傳熱壓縮功的投入，注定是低效和不經(jīng)濟(jì)的。

不無遺憾的是，自蒸汽機(jī)問世300年以來，所有熱機(jī)包括采用低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機(jī)郎肯循環(huán)都以環(huán)境為低溫?zé)嵩?，因此注定無法利用環(huán)境能量，也注定無法利用熱力學(xué)溫度(273.15k)空間的“冷”。對(duì)熱機(jī)而言冷與熱同等重要，沒有冷就無所謂熱。根據(jù)卡諾理論，因?yàn)椴荒塬@得→∞的高溫?zé)嵩椿蜻_(dá)到絕對(duì)零度的低溫?zé)嵩?，卡諾效率必定小于1。提高熱機(jī)效率除選擇提高T1溫度或者選擇降低T2溫度之外別無它途。然而選擇的結(jié)果卻皆然不同?？ㄖZ效率理論值同為66%，可以有不同的溫差組合;例如T1=20℃、T2=-175℃以及T1=593℃(熱力發(fā)電超超臨界溫度)、T2=20℃。前組T1-T2溫差為195℃，后組T1-T2溫差573℃，相差3倍。原因在于攝氏溫度是建立在熱力學(xué)溫度之上,后組更接近絕對(duì)零度。

假定我們將熱機(jī)效率提高到無限接近于1，選擇提高高溫?zé)嵩礈囟?，向上的溫度空間沒有止境、無限大;而選擇降低低溫?zé)嵩礈囟?，向下的溫度空間只有300℃(t+273.15k)。如何選擇更為合理顯而易見。環(huán)境20℃，太陽輻射能熱機(jī)實(shí)際效率10%，略低于光伏和光熱。然而它不受太陽光照時(shí)間、能流密度和采光面積的限制，可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、高速率的利用太陽能，其綜合能效比、成本效益比高出光伏和光熱10-100倍，發(fā)電成本不僅顯著低于光伏、光熱技術(shù)，而且低于化石能源。此外，太陽輻射能熱機(jī)做功的同時(shí)伴隨局部環(huán)境溫降，可視為真正意義上的負(fù)能耗空調(diào)(單向制冷)，太陽輻射能熱機(jī)的普遍應(yīng)用將逆轉(zhuǎn)地球變暖的趨勢(shì)。

太陽輻射能熱機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵在于建立一個(gè)能量通道，使環(huán)境熱源源不斷、有序的進(jìn)入系統(tǒng)以及保證高換熱效率。熱機(jī)制造不存在無法克服的技術(shù)、工藝以及材料限制。

五、展望

人類能源利用從薪柴、煤、石油、天然氣到核能、可再生能源，走的是一條從高碳、低碳到零碳的路，可再生能源是人類的終極能源。可再生能源目前遇到的制約和困境是經(jīng)濟(jì)性差，遠(yuǎn)期則是時(shí)間和空間限制。太陽射能熱機(jī)不僅擺脫了經(jīng)濟(jì)性制約(其能效比遠(yuǎn)高于化石能源)，也不受時(shí)空限制。環(huán)境能量的利用顯然比冷聚變、暗能量等虛無縹緲的探索更現(xiàn)實(shí)和可行。如果它的運(yùn)行原理正確并且可實(shí)施，那就意味著人類迎來了自由能源的時(shí)代。