科学家开发出“反太阳能”装置黑夜照样能发电

网络7年前 (2019-12-15)消费与科技1501

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），我们必须确保碳排放在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望。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。

科学家开发出“反太阳能”装置黑夜照样能发电消费与科技第1张

“反太阳能”装置的外观| AASWATH RAMAN

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。

科学家开发出“反太阳能”装置黑夜照样能发电消费与科技第2张

设备示意图| AASWATH RAMAN

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收阳光，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美元（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。

科学家开发出“反太阳能”装置黑夜照样能发电消费与科技第3张

用该装置点亮的灯泡| AASWATH RAMAN

该研究的作者、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。

科学家开发出“反太阳能”装置黑夜照样能发电消费与科技第4张