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斯坦福大学研究人员发明新型“反太阳能”装置

2019-12-11 11:06  来源:国际节能环保网  浏览:  
近年来,应对全球变暖的紧迫性已经超越了以往任何时候,气候变化带给人类的威胁正越来越大。2018年年底,政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的一份报告显示,为了将全球气温升高幅度控制在1.5℃以内(与工业化前水平相比),大家必须确保碳排放在2030年之前降低45%,并且在本世纪中叶以前降低至零。

但是,仅靠可再生资源很难做到这一点。100%使用可再生能源是否真的能够帮助人类对抗气候变暖也广受争议。人们争论的核心问题源于风能和太阳能这两种最大的可再生能源是“可变的”。它们每天都会发生变化,是“不可人为调节的”。

辐射冷却:“反太阳能”装置诞生

然而,清洁能源技术的新突破可能会带来希翼。美国加州大学洛杉矶分校和斯坦福大学的研究人员发明的新型“反太阳能”装置,能够弥补太阳能的限制,在黑暗中发电,为人类所用。

该设备利用了辐射冷却的概念,也就是夜晚天空凉爽时,地球表面的物体将热量辐射到大气中,从而使温度低于环境空气的现象。两所高校的研究人员之前就利用了同样的概念,制造了一种耗能极低的被动冷却系统。在这项研究中,研究人员利用了同样的概念,借助温差在夜间发电。

为了打造这种夜间可再生能源的新型装置,研究小组从一个商用热电模块开始着手研究,这个模块可以把温差转换成电能。他们把热电模块的一面固定在一个20厘米宽的铝制圆盘上,该圆盘上涂有一层商用黑色油漆。然后研究人员把它放在一个覆盖聚酯薄膜的塑料附件上,并使用透明盖子遮盖。

将遮盖的这一面朝向天空并且向天空辐射热量,保持其温度低于周围空气。该装置的另一面则由未加涂层的20厘米铝盘制成,这一面通过周围空气进行加热,使其温度与周围空气一致。到了夜间,两个盘面就会产生几摄氏度的温差。

涂漆的圆盘充当的是辐射发射器,当热量从地球表面辐射到空气中,会通过热电模块进入圆盘,之后圆盘就会将热量向上辐射。白天的时候,该设备可以反向工作来吸取阳光,利用太阳传递到圆盘的热量以及散发到外部环境的热量进行发电。

在2018年12月一个无云的晚上,研究人员在斯坦福大学测试了这个模型。该发电装置每平方米能够产生25毫瓦的电量,也就是说,它所产生的电量足以让人们在晚上点亮一个LED灯泡。其它小型电子设备也完全够用,比如说电量大约为1毫瓦的助听器,或耗电量大约为5毫瓦的激光笔。

新技术的优与劣

研究人员说,这种设备的制造成本只有30美金(约合人民币214元),应该很容易大规模生产。但是在未来,这种设备需要进一步的工程改进,比如说采用更好的保温材料或者增加散热器的面积等。他们表示,这种装置在地中海或沙漠气候等干燥、温暖的条件下效率更高,每平方米能产生0.5瓦的电量。

该研究的编辑、斯坦福大学电气工程教授Shanhui Fan表示:为了让地球保持大致恒定的温度,来自太阳的能量必须与地球热辐射出去的热量大致相当。这意味着可供“反太阳能电池”使用的能量非常庞大。

该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校材料科学与工程助理教授阿斯沃斯·拉曼(Aaswath Raman)称,这种装置的效率不高,即使在极限状态下运行也无法与太阳能相提并论,或许只有不到太阳能的百分之一。但是它成本很低,寿命比电池长,且与太阳能相比,适用范围更广。当然,它也为人类提供了一种在太阳能电池板失效时的全新发电方法。

从概念验证到实际使用

这项研究发表于《焦耳》杂志上,研究人员指出,地球上有13亿人缺乏可靠的电力供应。虽然有太阳能电池,但这些人群还需要夜间照明,而借助太阳能电池板进行电池存储的方式又会提高成本。因此,研究人员设计出了这种夜间发电的技术。

但目前来说,这只是一个概念的验证。研究人员认为,在提升保温性等更理想的条件下,该装置的发电量会提升。借助更大的圆盘,这种装置或许能够为一个家庭提供连续照明。

这种夜间发电装置的改善型版本很可能在未来的某一天,很可能为房间点亮电灯、为你的手机充电,或者为偏远地区以及资源匮乏地区的其它电子设备供电。如此一来,这些地区在夜间太阳能电池板无法工作时就能够正常供电。

也许有一天这项新技术将为你的手机供电。

接下来,研究人员计划对它进行改进,比如说加强顶板周围的保温性等。这项技术未来的潜在应用是无限的。 如果这项技术最终能得到改善,并且产生与标准太阳能电池板差不多的电量,那么它将改变可再生能源行业,成为取代化石燃料的有力竞争者之一。

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