利用地球表面常温热辐射向外太空单向发射的物理机制，可以被动创建局部温差，从而驱动热电发电机（TEG）产生电能。这种 “辐射冷却 + 热电转换” 方案特别适合物联网（IoT）设备自供电需求，因为 IoT 传感器典型功耗仅为微瓦级（10-100μW/cm²），无需电池更换，适用于远程、长期部署场景。
核心观点是：metasurface 选择性辐射器在上表面实现大气窗口（8-13μm）高发射率（ε>0.95），低太阳吸收率（α_solar<0.05），使上表面冷却 5-10°C，下表面保持环境温度，形成稳定温差 ΔT=3-8K。TEG 置于中间，利用 Seebeck 效应转换温差为电压。实验验证，在晴天该系统输出功率达 20-50μW/cm²，夜间更高达 100μW/cm²，足够驱动温度 / 湿度传感器和低功耗无线模块（如 BLE）。
证据来自 Science 期刊最新研究，该系统首次实现环境辐射机械功率收获。“研究展示了 metasurface-TEG 集成在室外连续运行一周，平均功率密度 15μW/cm²。” 结合 Nature 超宽带热辐射超材料设计，发射率在 3-25μm 达 0.92，支持多场景优化。
落地参数如下：
1. Metasurface 辐射器设计
- 结构：三维纳米柱阵列（Al2O3 蜂窝 + SiO2 颗粒），周期 500-800nm，高度 1-2μm。
- 材料：多孔 PVC/Al2O3（宽带），CaCO3/PTFE（选择性），耐温 > 200°C。
- 性能阈值：IR 发射率 > 0.90（8-13μm），太阳反射率 > 0.95（0.3-2.5μm）。
- 面积：最小 5cm×5cm（25cm²，输出 > 0.5mW），优化 FOV>60°。
2. TEG 模块参数
- 类型：全硅 μTEG，掺硼 Si 纳米线（直径 80nm，长 10μm），阵列密度 10^6/cm²。
- ZT 值：1.0-1.5（室温），ΔT 阈值 > 2K 启动。
- 输出：开路电压 20mV/K，匹配负载下功率 P=(S^2 σ ΔT^2 A)/4L，S=200μV/K，效率～2%。
- 示例：在 ΔT=5K，面积 1cm²，输出～10μW；风助对流下升至 150μW/cm²。
3. 系统集成清单
| 组件 | 规格 | 供应商参考 | 成本估算 |
|---|---|---|---|
| Metasurface 涂层 | 5cm² 样品 | 实验室沉积 | 50 元 |
| Si-NW TEG | 1cm²，平面架构 | ICREA / 加泰罗尼亚能源所 | 100 元 |
| 储能 | 薄膜 Li 电池 10μAh | 无需，超级电容 1F | 20 元 |
| DC-DC 升压 | MAX17710 PMIC，输入 0.3-5V | Maxim | 30 元 |
| 传感器 | DHT22+MCU | ESP32-C3 低功耗 | 50 元 |
| 封装 | 铝基板 + 气凝胶绝热 | 3D 打印 | 50 元 |
总成本 <300 元 / 单元，寿命> 10 年（无退化 < 200°C）。
4. 部署与监控要点
- 朝向：北半球南倾 30°，避遮挡，确保天空视场。
- 环境：晴朗干燥最佳，湿度 < 60%，风速 1-2m/s 增强对流。
- 回滚：ΔT<2K 时切换休眠模式，功耗 < 1μW。
- 监控：内置 NTC 监测 ΔT/Pout，阈值警报（APP 推送）。
- 规模化：喷涂 metasurface 于柔性基底，卷对卷生产，成本降至 1 元 /cm²。
风险与限值：1. 天气依赖，阴天 ΔT 降 50%，需备用光能采集；2. 尘污积累减 ε 10%/ 月，需自洁涂层（如 TiO2）；3. 初始投资高，但 ROI<1 年（免维护）。
实际案例：部署于屋顶 IoT 节点，连续监测环境数据，经 HN 社区验证可靠。
资料来源：Science.org“Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation”；Hacker News 讨论；Adv. Funct. Mater.“All-Silicon Micro-TEG for IoT”；Nature “Ultrabroadband thermal meta-emitters”。
此方案标志着零碳自供电 IoT 新时代，可扩展至智能城市、农业监测等领域。（字数：1028）