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令人大开脑洞的未来城市发电方式
网易科学人 | 来源:网易科学人 浏览次数:287 发布时间:2018年11月8日
摘要:

到2050年,超过三分之二的人类将生活在城市中,科学家和科技公司正在寻找在建筑环境中利用可再生能源发电的新方法。

到2050年,超过三分之二的人类将生活在城市中,科学家和科技公司正在寻找在建筑环境中利用可再生能源发电的新方法。

将来,我们的办公室窗户可以通过太阳照射获取能量,而街道上的灯柱则在混凝土中储存电力。

当车辆呼啸而过时,垂直风力涡轮机将会旋转产生能量。人行道和公路将会从通勤者、公共汽车以及卡车运动中产生少量能量。无人驾驶出租车车队将把多余的能源回馈给电网,城市通常会更有效地利用它们所消耗的能源。

至少,这是许多技术专家、环保主义者和城市规划者的能源愿景。但它是否真能成为现实?

新材料的发展,展示出了更光明的前途。

使用KGP水泥混合物储存和传输电能

由发电站废料制成的水泥混合物可以把建筑物变成电池。这些钾土溶胶(KGP)复合材料比普通水泥便宜,每平方米可以储存500瓦电力。

研究人员表示,普通的街灯每晚耗电700瓦,而由KGP制造、配有小型太阳能电池板的6米高灯柱可以储存足够多的电力,可供整个晚上使用。

混凝土灯柱可以变成电池,储存整夜工作所需的电力

英国兰卡斯特大学教授穆罕默德?萨菲(Mohamed Saafi)说:“我们已经证明,KGP水泥混合物可以用来储存和传输电能,而不需要昂贵的或有害的添加剂。”

这些小水泥块能给未来的城市提供电力吗?

大量使用KGP建造的建筑也可以用来存储和释放过剩的电能,以帮助满足城市电网的需求。

太阳能成为城市中最常见的能源

新材料也有助于使太阳能电池板变得更便宜,更具成本效益。太阳能是城市中最常见的可再生能源,且其发电成本继续下跌,从十年前每瓦约3英镑降至今天的0.4英镑。

在英国,超过三分之一的公司已经开始自己发电,主要使用屋顶太阳能电池板。但制造硅基太阳能电池板需要耗费大量能源,它需要1400摄氏度以上的温度,而且硅的纯度必须达到99.9999%。

美国布朗大学工程学教授尼廷?帕杜尔(Nitin Padture)表示,钙钛矿(perovskites)材料制成的太阳能电池面板,可以制成更薄、更便宜、所需温度更低的面板。由于它们是部分透明的,也可以用于窗户上的玻璃。但其缺点是它们中的大多数都含有铅,而铅是一种有毒的金属。

不过,帕杜尔教授和他的团队目前正在研究一种方法:用钛来取代铅。

他说:“钛很常见,但没有人想到用它来取代钙钛矿太阳能电池板中的铅。我们目前还不打算取代现有的硅技术,但我们希望推动它向前发展。”

道路两旁的垂直风机成为一道城市风景

风能是另一种最常见的可再生能源,传统的涡轮机在建造区域不能很好地工作,因为风向变化很大。

为此,研究人员尼古拉斯·奥雷拉瓦纳(Nicolas Orellana)和亚森·诺兰尼(Yaseen Noorani)提出了制造球形风力涡轮机的设想,解决风向变化的问题。

奥雷拉瓦纳与诺兰尼开发的O-Wind型风力涡轮机已经赢得了英国2018年詹姆斯戴森大奖(James Dyson Award),它是一个球形装置,无论风从任何方向吹来,它都能旋转。

来自土耳其的科技公司Devici提供了另一个解决方案,即在道路上使用垂直风力涡轮机,由过往车辆的气流提供动力。

该公司表示,其Enlil涡轮机目前正在伊斯坦布尔进行测试,每小时可以产生1千瓦的能量,足以满足两户家庭的电力需求。该公司还称,这种涡轮机还可以安装太阳能电池板和地震传感器。

伊斯坦布尔街道上的垂直风力涡轮机

光伏发电道路的尝试一直在进行

但并不是所有的城市能源开采项目都具有商业意义。例如,在法国,工程公司Colas已经在全国各地,以及美国和日本,开辟出光伏道路。

Colas已经在诺曼底铺设了长近1公里的单行车道,投资430万英镑。在美国建成的1.6公里双车道公路成本则为380万英镑。

还有一个问题是它们的能源生产能力有多强?太阳能电池板是平放在地面上的,而不是朝向太阳,为此可能受到交通堵塞的影响,有时也会被雪、泥或水覆盖。

Colas公司估计,在拥有5000名居民的小镇,1公里长的道路就可以为公共照明提供足够电力

2014年,阿姆斯特丹建成了长70米的太阳能自行车车道,建设成本为260万英镑。它在建成后第一年就生产了3000千瓦时电力。而260万英镑的建设成本,这座城市可以在公开市场上购买6500万千瓦时的电力。

让汽车和行人生产能源的捕能公路

另一项在商业上难以证明其合理性的技术是压电技术。如果你挤压某些材料,如石英,就可以使电流通过它们。因此,汽车和卡车在配备压电装置的特殊路面上行驶可以产生电力。行人也可以在特制的人行道上这样做。

2009年,以色列公司Innowattech试验了捕能公路,现在美国的Pyro-E公司也在加州弗雷斯诺的一小段公路上展示类似的技术。然而,尽管此举在技术上是可行的,但目前的成本却高得令人望而却步。

有些人通过计算发现,在美国建造1公里长的双向捕能公路,需要13000台压电设备,为建设成本增加30.7万英镑开支。即使不考虑制造或安装成本,也需要大约12年的时间才能赚回这笔钱。

英国的Pavegen公司已经开发出了发电人行道,行人每走一步就能产生2到4焦耳的能量。这条人行道每平方米的成本约为2350英镑,现在已经在全球超过200个地点安装,比如交通枢纽和购物中心等。

Pavegen公司在伦敦建成的发电人行道,但它是否会具有成本效益呢?

这听起来可能很贵,但太阳能电池板刚上市时也是如此。Pavegen创始人兼首席执行官劳伦斯·凯姆鲍尔-库克(Laurence Kemball-Cook)表示:“我们相信,将我们的城市变得更好的将不仅仅是科技,还有人。”

凯姆鲍尔-库克还称:“重要的是,我们通过应用程序对人们的互动进行奖励。因此,通过在零售环境或街道上选择更健康的发电人行道,你可以帮助所在城市变得更加可持续性发展,并可从中获得回报。”

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