沙特一所頂尖大學的最新研究表明,利用大氣中的水蒸氣冷卻太陽能板,在可再生能源方面取得了可喜的成果。
這項由阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)發起的項目,已經使發電量增加了近20%。
「隨著氣候危機的惡化,許多人認為太陽能是可持續發展的最終解決方案,」領導這項研究的KAUST教授王鵬博士說。「光伏發電是太陽能轉化為電能的最普遍方式」。
據最新的歐洲光伏現狀報告顯示,到2025年,全球裝機容量將翻一番,達到1500吉瓦(GW),到2030年將進一步達到3000吉瓦(GW)。王鵬博士說:「中東有穩定可靠的太陽輻照度,可以說是世界上質量最好的太陽輻照度。
「沙烏地阿拉伯的年平均太陽輻照度為2300kWh/㎡,是日本(1600 kWh/㎡)的1.4倍多。此外,中東還有大片土地尚未開發利用,非常適合太陽能的使用。」
據專家稱,如果沙特王國5%的土地面積被太陽能電池板完全覆蓋,那麼電力將超過整個世界所需的電力。
王鵬博士說,據估計,如果王國5%的土地被太陽能電池板完全覆蓋,那麼電力將超過整個世界所需的電力。「過去中東的太陽能項目發展一直很緩慢。」
「然而,如今這些正在實施和計劃中的大型太陽能項目清楚地表明,包括沙特在內的中東地區已經準備好在全球太陽能熱潮中發揮領導作用。」
但是,太陽能電池板的一個主要問題仍然是白天的高溫,包括在沙烏地阿拉伯,那裡太陽能板的溫度可能比周圍高出40攝氏度。王鵬博士說,這是由於商用太陽能板,只能將所吸收到的太陽能的不到20%轉化為電能。
他說:「其餘80%以上吸收的太陽能轉化為不受歡迎的熱能」。「熱能被認為是一種浪費,還會導致光伏發電溫度過高。」
高溫有兩個不利影響:它會降低太陽能板的發電量,並進一步縮短其使用壽命。因此,在海灣等乾旱和半乾旱地區,太陽能項目一直都在尋求太陽能板的有效冷卻。
「一種有效的光伏冷卻方法,比如阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)報告的那種方法,可以提高發電量,延長電池板的使用壽命,」 王鵬博士說。「這樣做不需要額外的土地。」
KAUST的研究人員使用了一種簡單的冷卻策略,即收集大氣中的水蒸氣來冷卻太陽能板。這種技術被證明可以增加20%的發電量。
該冷卻系統被認為是行業內的一個新概念,其所涉及的研究還在概念驗證階段。它的性能在一個小型光伏板上得到了驗證,研究團隊計劃在未來幾年內將其擴大到商用光伏板的尺寸。
「這將使這項技術具有商業競爭力,從而對現實世界產生影響,」 王鵬博士說。「同時,大氣水蒸氣輔助冷卻的應用不僅僅局限於光伏冷卻,我們也將積極探尋其他應用。」
他進一步解釋說,在所有已知的室溫液體中,水的蒸發潛熱最高。「就是說,水的蒸發可以帶走物體的大量熱量,」 王鵬博士說。「如果要用這個概念來冷卻太陽能電池板,那麼問題是在哪裡獲取水,尤其是在安裝光伏板的沙漠地區。」
雖然在沙漠地帶可能看不到水,但空氣中卻能找到,地球大氣中可利用和持續保存的水量是地球上所有河流的六倍多。
他說:「水蒸氣到處都有,包括沙漠地區。」 「我的研究一直致力於收集大氣中的水蒸氣以產生新鮮的飲用水。在進行這項研究時,我們發現夜間沙漠中的相對溼度非常適合收集水蒸氣。」
王鵬教授
Bloomberg NEF太陽能研究負責人Jenny Chase認為,太陽能電池板在保持涼爽的情況下通常會產生更多的能量。但是,這種差異不能說明主動冷卻的合理性。
她說:「沙烏地阿拉伯很熱,而且越來越熱,所以改變光伏系統設計,使電池板保持涼爽,可以提高發電量。」「然而,如果花費很多錢,那可能不值得。大多數電池板沒有冷卻。」
她希望無論冷卻技術狀況如何,沙烏地阿拉伯都能建造更多的太陽能電池板。她說:「可再生能源是世界各地的未來。」 「但是,如果這種冷卻技術無法奏效,那麼標準技術就足夠了。」
Chase說沙特的太陽能生產成本低於使用化石燃料。她在接受Arab News採訪時說:「沙烏地阿拉伯也不缺沙漠,太陽能可以幫助滿足日益增長的空調需求,而這種需求主要是在白天。」「它可能也會產生一些風能,但太陽能在陽光普照的國家更便宜。」
2018年3月29日,一名沙特男子在利雅得北部的 Uyayna一家太陽能發電廠接受記者採訪。(法新社/資料圖)
據業內專家稱,最大限度地發電對任何太陽能項目都至關重要。Soltec中東地區大客戶經理Miguel Pozuelo在阿布達比舉行的2021年世界未來能源峰會上表示:「這種情況在沙烏地阿拉伯尤為重要,該市場已經證明了其極強的競爭力。」
「對於特定的光伏組件技術,有兩種主要的優化發電的方法:我們可以增加照射在太陽能板正面和背面的輻射,以最大限度地增加到達電池板的陽光,從而提高發電量。」
事實證明,這種工作在全球使用雙面板都是有效的。模塊製冷也已被視為另一個最大化生產的產品。「2018年7月,Soltec成立了雙面追蹤評估中心,該中心與其他實體一起測試了不同的因素如何影響雙面產量,」 Pozuelo說。
「雙面追蹤結合模塊的冷卻將在沙烏地阿拉伯發揮極其重要的作用。」
他將KAUST項目描述為沙特可再生能源技術進步的標誌。Pozuelo說:「創新對於確保任何行業的成功都是至關重要的,就太陽能而言,創新與特定的場地條件直接相關。」
「這就是Soltec公司推出測試設施的原因,以深入了解中東沙漠環境,並特別關注雙面追蹤和自動清潔優化。」
2018年3月29日,沙特人在利雅得北部Uyayna的太陽能電池板工廠工作。(法新社/資料圖)
他預計沙烏地阿拉伯可再生能源,尤其是太陽能的前景廣闊,並補充說,目前處於高度發展中的第一批實用規模的項目將為該行業提供成熟的條件。
與此同時,在吉達北部的Thuwal,KAUST校園的實地測試表明,使用大氣水蒸氣冷卻可以使冬季和夏季的發電量增加13%至19%。「這是一個重要的裡程碑。」王鵬教授說。
他補充說:「沙特王國擁有世界上最好的太陽能輻射質量,並有望成為太陽能領域的全球領導者。」與此同時,也面臨著電池板產生大量餘熱的問題。在我們對抗全球變暖的鬥爭中,可再生能源是循環經濟和脫碳經濟這一新興概念的核心。」
王教授表示,希望這樣的新技術能夠傳達這樣一個信息:科學創新可以使可再生能源更加「綠色」。
他說:「讓我們對可再生能源的未來充滿信心,並投資於科學,讓世界變得更加美好。」