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科學家開發出“反太陽能”裝置 黑夜照樣能發電!

2019-12-11 09:22:20 來源:科普中國
近年來,應對全球變暖的緊迫性已經超越了以往任何時候,氣候變化帶給人類的威脅正越來越大。2018年年底,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的一份報告顯示,為了將全球氣溫升高幅度控制在1.5℃以內(與工業化前水平相比),我們必須確保碳排放在2030年之前降低45%,并且在本世紀中葉以前降低至零。

但是,僅靠可再生資源很難做到這一點。100%使用可再生能源是否真的能夠幫助人類對抗氣候變暖也廣受爭議。人們爭論的核心問題源于風能和太陽能這兩種最大的可再生能源是“可變的”。它們每天都會發生變化,是“不可人為調節的”。

輻射冷卻:“反太陽能”裝置誕生

然而,清潔能源技術的新突破可能會帶來希望。美國加州大學洛杉磯分校和斯坦福大學的研究人員發明的新型“反太陽能”裝置,能夠彌補太陽能的限制,在黑暗中發電,為人類所用。

“反太陽能”裝置的外觀 | AASWATH RAMAN

該設備利用了輻射冷卻的概念,也就是夜晚天空涼爽時,地球表面的物體將熱量輻射到大氣中,從而使溫度低于環境空氣的現象。兩所高校的研究人員之前就利用了同樣的概念,制造了一種耗能極低的被動冷卻系統。在這項研究中,研究人員利用了同樣的概念,借助溫差在夜間發電。

為了打造這種夜間可再生能源的新型裝置,研究小組從一個商用熱電模塊開始著手研究,這個模塊可以把溫差轉換成電能。他們把熱電模塊的一面固定在一個20厘米寬的鋁制圓盤上,該圓盤上涂有一層商用黑色油漆。然后研究人員把它放在一個覆蓋聚酯薄膜的塑料附件上,并使用透明蓋子遮蓋。

將遮蓋的這一面朝向天空并且向天空輻射熱量,保持其溫度低于周圍空氣。該裝置的另一面則由未加涂層的20厘米鋁盤制成,這一面通過周圍空氣進行加熱,使其溫度與周圍空氣一致。到了夜間,兩個盤面就會產生幾攝氏度的溫差。

涂漆的圓盤充當的是輻射發射器,當熱量從地球表面輻射到空氣中,會通過熱電模塊進入圓盤,之后圓盤就會將熱量向上輻射。白天的時候,該設備可以反向工作來吸收陽光,利用太陽傳遞到圓盤的熱量以及散發到外部環境的熱量進行發電。

在2018年12月一個無云的晚上,研究人員在斯坦福大學測試了這個模型。該發電裝置每平方米能夠產生25毫瓦的電量,也就是說,它所產生的電量足以讓人們在晚上點亮一個LED燈泡。其它小型電子設備也完全夠用,比如說電量大約為1毫瓦的助聽器,或耗電量大約為5毫瓦的激光筆。

新技術的優與劣

研究人員說,這種設備的制造成本只有30美元(約合人民幣214元),應該很容易大規模生產。但是在未來,這種設備需要進一步的工程改進,比如說采用更好的保溫材料或者增加散熱器的面積等。他們表示,這種裝置在地中海或沙漠氣候等干燥、溫暖的條件下效率更高,每平方米能產生0.5瓦的電量。

該研究的作者、斯坦福大學電氣工程教授Shanhui Fan表示:為了讓地球保持大致恒定的溫度,來自太陽的能量必須與地球熱輻射出去的熱量大致相當。這意味著可供“反太陽能電池”使用的能量非常龐大。

該研究的合著者、加州大學洛杉磯分校材料科學與工程助理教授阿斯沃斯·拉曼(Aaswath Raman)稱,這種裝置的效率不高,即使在極限狀態下運行也無法與太陽能相提并論,或許只有不到太陽能的百分之一。但是它成本很低,壽命比電池長,且與太陽能相比,適用范圍更廣。當然,它也為人類提供了一種在太陽能電池板失效時的全新發電方法。

從概念驗證到實際使用

這項研究發表于《焦耳》雜志上,研究人員指出,地球上有13億人缺乏可靠的電力供應。雖然有太陽能電池,但這些人群還需要夜間照明,而借助太陽能電池板進行電池存儲的方式又會提高成本。因此,研究人員設計出了這種夜間發電的技術。

但目前來說,這只是一個概念的驗證。研究人員認為,在提升保溫性等更理想的條件下,該裝置的發電量會提升。借助更大的圓盤,這種裝置或許能夠為一個家庭提供連續照明。

這種夜間發電裝置的改善型版本很可能在未來的某一天,很可能為房間點亮電燈、為你的手機充電,或者為偏遠地區以及資源匱乏地區的其它電子設備供電。如此一來,這些地區在夜間太陽能電池板無法工作時就能夠正常供電。

接下來,研究人員計劃對它進行改進,比如說加強頂板周圍的保溫性等。這項技術未來的潛在應用是無限的。如果這項技術最終能得到改善,并且產生與標準太陽能電池板差不多的電量,那么它將改變可再生能源行業,成為取代化石燃料的有力競爭者之一。
 


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