反太陽(yáng)能裝置在黑暗中也能發(fā)電

近年來，應(yīng)對(duì)全球變暖的緊迫性已經(jīng)超越了以往任何時(shí)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(huì)（IPCC）發(fā)布的一份報(bào)告顯示，為了將全球氣溫升高幅度控制在1.5℃以內(nèi)（與工業(yè)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(jì)中葉以前降低至零。

但是，僅靠可再生資源很難做到這一點(diǎn)。100%使用可再生能源是否真的能夠幫助人類對(duì)抗氣候變暖也廣受爭(zhēng)議。人們爭(zhēng)論的核心問題源于風(fēng)能和太陽(yáng)能這兩種最大的可再生能源是“可變的”。它們每天都會(huì)發(fā)生變化，是“不可人為調(diào)節(jié)的”。

輻射冷卻：“反太陽(yáng)能”裝置誕生

然而，清潔能源技術(shù)的新突破可能會(huì)帶來希望。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校和斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)明的新型“反太陽(yáng)能”裝置，能夠彌補(bǔ)太陽(yáng)能的限制，在黑暗中發(fā)電，為人類所用。

“反太陽(yáng)能”裝置的外觀 | AASWATH RAMAN

該設(shè)備利用了輻射冷卻的概念，也就是夜晚天空涼爽時(shí)，地球表面的物體將熱量輻射到大氣中，從而使溫度低于環(huán)境空氣的現(xiàn)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(dòng)冷卻系統(tǒng)。在這項(xiàng)研究中，研究人員利用了同樣的概念，借助溫差在夜間發(fā)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(gè)商用熱電模塊開始著手研究，這個(gè)模塊可以把溫差轉(zhuǎn)換成電能。他們把熱電模塊的一面固定在一個(gè)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(gè)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(jìn)行加熱，使其溫度與周圍空氣一致。到了夜間，兩個(gè)盤面就會(huì)產(chǎn)生幾攝氏度的溫差。

設(shè)備示意圖 | AASWATH RAMAN

涂漆的圓盤充當(dāng)?shù)氖禽椛浒l(fā)射器，當(dāng)熱量從地球表面輻射到空氣中，會(huì)通過熱電模塊進(jìn)入圓盤，之后圓盤就會(huì)將熱量向上輻射。白天的時(shí)候，該設(shè)備可以反向工作來吸收陽(yáng)光，利用太陽(yáng)傳遞到圓盤的熱量以及散發(fā)到外部環(huán)境的熱量進(jìn)行發(fā)電。

在2018年12月一個(gè)無(wú)云的晚上，研究人員在斯坦福大學(xué)測(cè)試了這個(gè)模型。該發(fā)電裝置每平方米能夠產(chǎn)生25毫瓦的電量，也就是說，它所產(chǎn)生的電量足以讓人們?cè)谕砩宵c(diǎn)亮一個(gè)LED燈泡。其它小型電子設(shè)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(shù)的優(yōu)與劣

研究人員說，這種設(shè)備的制造成本只有30美元（約合人民幣214元），應(yīng)該很容易大規(guī)模生產(chǎn)。但是在未來，這種設(shè)備需要進(jìn)一步的工程改進(jìn)，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?；蛏衬畾夂虻雀稍铩嘏臈l件下效率更高，每平方米能產(chǎn)生0.5瓦的電量。

用該裝置點(diǎn)亮的燈泡 | AASWATH RAMAN

該研究的作者、斯坦福大學(xué)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(yáng)的能量必須與地球熱輻射出去的熱量大致相當(dāng)。這意味著可供“反太陽(yáng)能電池”使用的能量非常龐大。

該研究的合著者、加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)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(tài)下運(yùn)行也無(wú)法與太陽(yáng)能相提并論，或許只有不到太陽(yáng)能的百分之一。但是它成本很低，壽命比電池長(zhǎng)，且與太陽(yáng)能相比，適用范圍更廣。當(dāng)然，它也為人類提供了一種在太陽(yáng)能電池板失效時(shí)的全新發(fā)電方法。

從概念驗(yàn)證到實(shí)際使用

這項(xiàng)研究發(fā)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(yīng)。雖然有太陽(yáng)能電池，但這些人群還需要夜間照明，而借助太陽(yáng)能電池板進(jìn)行電池存儲(chǔ)的方式又會(huì)提高成本。因此，研究人員設(shè)計(jì)出了這種夜間發(fā)電的技術(shù)。

但目前來說，這只是一個(gè)概念的驗(yàn)證。研究人員認(rèn)為，在提升保溫性等更理想的條件下，該裝置的發(fā)電量會(huì)提升。借助更大的圓盤，這種裝置或許能夠?yàn)橐粋€(gè)家庭提供連續(xù)照明。

這種夜間發(fā)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(diǎn)亮電燈、為你的手機(jī)充電，或者為偏遠(yuǎn)地區(qū)以及資源匱乏地區(qū)的其它電子設(shè)備供電。如此一來，這些地區(qū)在夜間太陽(yáng)能電池板無(wú)法工作時(shí)就能夠正常供電。

也許有一天這項(xiàng)新技術(shù)將為你的手機(jī)供電 | Pixabay

接下來，研究人員計(jì)劃對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，比如說加強(qiáng)頂板周圍的保溫性等。這項(xiàng)技術(shù)未來的潛在應(yīng)用是無(wú)限的。如果這項(xiàng)技術(shù)最終能得到改善，并且產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池板差不多的電量，那么它將改變可再生能源行業(yè)，成為取代化石燃料的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。