每塊電池上的黑色方塊就是砷化鎵，使用如此少量的昂貴材料可以降低成本。
由于要處理的樣品太多，野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司非常依賴自動(dòng)化。圖中的分析儀正在對(duì)裝有材料的小瓶進(jìn)行稱重和記錄。
編者按
從2001年開始，美國(guó)《Technology Review》以其在科技領(lǐng)域的專業(yè)性、權(quán)威性和全面性，以“這項(xiàng)技術(shù)能否改變世界”作為選擇的終極準(zhǔn)則，連續(xù)11年對(duì)全球新興技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行觀察，每年選擇出10項(xiàng)有望為人類社會(huì)帶來(lái)重大影響的科學(xué)技術(shù)。
通常情況下，這些新興技術(shù)可以分為計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、能源、生物醫(yī)學(xué)幾大類。然而，隨著全球能源需求的加劇和全球能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能源及其相關(guān)領(lǐng)域在這些可能對(duì)人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生重大影響的發(fā)明中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。
在2010年，10大新興技術(shù)以IT領(lǐng)域的發(fā)明為主，而能源領(lǐng)域僅有太陽(yáng)能燃料和光捕捉式光伏發(fā)電技術(shù)入圍。在2011年，10大新興技術(shù)以生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明為主，而能源領(lǐng)域僅有智能變壓器和固態(tài)電池技術(shù)入圍。如今，2012年的10大新興技術(shù)中能源及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)位占其三。
不難看出，能源問(wèn)題對(duì)人類社會(huì)的影響力已日趨加深，能源技術(shù)也將是最有可能改變世界的突破口。
這10項(xiàng)新興技術(shù)都具有著改變世界的巨大潛力，也都是人類一直以來(lái)所面臨的大問(wèn)題，其中有的來(lái)自行業(yè)研究者，有些則是在大學(xué)研究中取得的進(jìn)展，但他們都在2012年取得了突破性的進(jìn)展。
眾所周知，新興技術(shù)具有創(chuàng)造新行業(yè)和改變已有行業(yè)的潛力。如何以科技創(chuàng)新推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)是當(dāng)下各大科技企業(yè)迫在眉睫需要解決的問(wèn)題。因此，促進(jìn)新興技術(shù)的商業(yè)化和資本化發(fā)展已經(jīng)成為各大企業(yè)和各個(gè)國(guó)家獲取競(jìng)爭(zhēng)能力的重要手段。在能源領(lǐng)域內(nèi)，新興技術(shù)不僅為能源產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。同時(shí)，能源技術(shù)的發(fā)展必將成為未來(lái)新興技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。
未來(lái)世界中的能源結(jié)構(gòu)應(yīng)該是百花齊放的，在風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔新能源的進(jìn)一步發(fā)展下，對(duì)于化石燃料的清潔利用、碳捕集技術(shù)、頁(yè)巖氣等傳統(tǒng)能源的利用方式以及降低能耗也將是繼續(xù)研究的方向。我們期待著：這些能影響人類社會(huì)發(fā)展的新興技術(shù)可以早日應(yīng)用到日常的人類生產(chǎn)生活中，讓未來(lái)的世界變得更美好。
現(xiàn)在來(lái)了解一下，在2012年中有哪些能源及相關(guān)領(lǐng)域的新興技術(shù)最具潛力。
超高效太陽(yáng)能
塞木普銳斯公司是一家新創(chuàng)業(yè)的公司，主要制作微小型太陽(yáng)能電池，這些電池能夠捕捉聚焦的太陽(yáng)光，而無(wú)需昂貴的冷卻系統(tǒng)。就是這家公司在太陽(yáng)能領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)造了一項(xiàng)重要紀(jì)錄：該公司發(fā)明的太陽(yáng)能電池板可以把近34%的入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。一旦這項(xiàng)技術(shù)得以規(guī)?；瘧?yīng)用，其產(chǎn)生的能效將會(huì)非常高。在一些地方，其發(fā)電成本很可能會(huì)下降到足以與化石燃料發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng)的水平。
通常在安裝太陽(yáng)能發(fā)電裝置的時(shí)候都需要耗費(fèi)大量的固定成本，例如用來(lái)安放太陽(yáng)能電池板陣列所需的大面積土地。因此，一些研究人員在考慮如何降低太陽(yáng)能發(fā)電成本時(shí)，都在試圖最大限度地提高每一塊太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率。研究人員嘗試著各種各樣的方法，包括使用硅以外的半導(dǎo)體材料來(lái)制作太陽(yáng)能電池板。
在早些時(shí)候，阿爾塔設(shè)備公司曾使用一種名叫砷化鎵的高效材料來(lái)制造柔韌的太陽(yáng)能電池片。相對(duì)于硅，砷化鎵能夠更好地將光能轉(zhuǎn)化為電能。受此啟發(fā)，塞木普銳斯公司也使用了砷化鎵材料。然而，這種材料的價(jià)格比硅的價(jià)格貴得多（見下左圖）。
公司聯(lián)合創(chuàng)始人、伊利諾斯大學(xué)化學(xué)和工程學(xué)教授約翰·羅杰斯一直在研究某種裝置的制造工藝從而可以解決成本問(wèn)題。他找到了一種方法：將太陽(yáng)能電池板內(nèi)的單個(gè)光吸收裝置，縮小至僅為600微米寬、600微米長(zhǎng)和10微米厚后。在一塊砷化鎵晶片上構(gòu)筑這種小電池，使用化學(xué)蝕刻和機(jī)器人系統(tǒng)，把每一層轉(zhuǎn)移到一種廉價(jià)的基質(zhì)上。這樣，同一個(gè)砷化鎵晶片可重復(fù)使用多次。生產(chǎn)出來(lái)的太陽(yáng)能電池模塊包含數(shù)百個(gè)微型太陽(yáng)能電池，每個(gè)電池的寬度相當(dāng)于圓珠筆畫出的一條線，這些電池排列在透鏡下，透鏡可聚集大約1100倍太陽(yáng)光。
雖然聚光太陽(yáng)能電池組件使用了新的半導(dǎo)體材料，但它們通常還需要昂貴的光學(xué)器件、冷卻系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)，使它們保持一直朝向著太陽(yáng)。面對(duì)這些問(wèn)題，塞木普銳斯公司的微型太陽(yáng)能電池，從本質(zhì)上所產(chǎn)生的熱量就很少，根本無(wú)需冷卻，因而進(jìn)一步削減了成本。同時(shí)，這種模塊中的太陽(yáng)能電池包含三層砷化鎵，每層都經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以把不同部分太陽(yáng)光譜轉(zhuǎn)換成電能。規(guī)避了硅太陽(yáng)能電池只能有效地吸收窄頻段太陽(yáng)光的弊端。此外，他們還將模塊安裝在雙軸跟蹤器上，以保證可以總是面向太陽(yáng)。
公司技術(shù)副總裁斯科特·伯勒斯表示，在未來(lái)幾年內(nèi)，使用其系統(tǒng)的公用事業(yè)公司應(yīng)該能夠?qū)㈦妰r(jià)維持在8美分/千瓦時(shí)。根據(jù)美國(guó)能源信息署的數(shù)據(jù)顯示，上述電價(jià)比美國(guó)的平均零售電價(jià)還要低。
當(dāng)然，這種太陽(yáng)能電池也受到了使用透鏡聚光的制約：只有在晴朗無(wú)云的天氣，電池吸收直射陽(yáng)光時(shí)，系統(tǒng)的工作效率才會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。而在其他任何條件下，電能生產(chǎn)則會(huì)大幅下降。
目前，該公司已經(jīng)從風(fēng)險(xiǎn)投資公司和西門子公司籌集了4400萬(wàn)美元資金，計(jì)劃在北卡羅來(lái)納州開辦一家小型工廠，該工廠每年制造的太陽(yáng)能電池板足夠輸出6000千瓦電能。公司希望能在2013年年底將電能產(chǎn)量增加至3萬(wàn)千瓦，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，公司還需籌集到一筆數(shù)額可觀的資金。
太陽(yáng)能微電網(wǎng)
在印度，有近4億生活在農(nóng)村的人享受不到電網(wǎng)電力的服務(wù)。對(duì)他們而言，僅為手機(jī)充電就要長(zhǎng)途跋涉到設(shè)有充電亭的鎮(zhèn)上，而家里用來(lái)照明的工具則是煤油燈。
為了改變這一局面，尼基爾·賈斯哈尼和布萊恩·沙德共同創(chuàng)辦了梅拉高電力公司。該公司利用太陽(yáng)能電池板和發(fā)光二極管成本下跌的時(shí)機(jī)，建立并運(yùn)營(yíng)了能夠提供清潔照明和手機(jī)充電服務(wù)的廉價(jià)太陽(yáng)能微電網(wǎng)。
微電網(wǎng)可以將一個(gè)相對(duì)較小的發(fā)電站所發(fā)出的電能在一個(gè)有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行配送。當(dāng)然，像單個(gè)太陽(yáng)能燈之類的備選解決方案也能夠提供照明及手機(jī)充電，但微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于其安裝的成本可以由當(dāng)?shù)卮迕駚?lái)分?jǐn)?。此外，該系統(tǒng)使用的是效率更高、規(guī)模更大的發(fā)電及儲(chǔ)電系統(tǒng)，這樣可以降低運(yùn)行的成本。
只需花費(fèi)2500美元，分成15個(gè)小組的100戶村莊家庭就能連接到兩個(gè)發(fā)電樞紐站。每個(gè)發(fā)電樞紐站由一組太陽(yáng)能電池板和一個(gè)電池組構(gòu)成。微電網(wǎng)自始至終都使用24伏的直流電源，因此該系統(tǒng)可以使用鋁線連接，替換了價(jià)格較貴的銅線，而銅線更適用于電壓更高的交流配電系統(tǒng)。在鋪設(shè)微電網(wǎng)之前，梅拉高電力公司要對(duì)村莊的地形進(jìn)行繪制，以確保配電線路的分布最有效。賈斯哈尼說(shuō)：“制圖和設(shè)計(jì)是我們最大的創(chuàng)新。”
這些偏遠(yuǎn)村莊的每戶家庭如果每月預(yù)付100盧比（約2美元）的費(fèi)用，每天晚上就能獲得0.2安培的電量，可連續(xù)使用7小時(shí)，足夠點(diǎn)亮兩盞發(fā)光二極管燈和為一臺(tái)手機(jī)充電。而每月的煤油燈和在充電亭為手機(jī)充電的費(fèi)用通常在100到150盧比不等。
梅拉高電力公司所部署的第一個(gè)商業(yè)性微電網(wǎng)成功運(yùn)營(yíng)之后，又有8個(gè)較偏遠(yuǎn)的村莊加入了這個(gè)項(xiàng)目。在得到美國(guó)國(guó)際開發(fā)署30萬(wàn)美元的資助后，該公司計(jì)劃于今年再完成至少40個(gè)村莊的微電網(wǎng)架設(shè)工作。
梅拉高電力公司的成功鼓勵(lì)了其他企業(yè)進(jìn)軍印度市場(chǎng)，提供離網(wǎng)型的可再生能源?？偛课挥谌A盛頓的世界資源研究所估計(jì)，印度離網(wǎng)型可再生能源市場(chǎng)的規(guī)?？蛇_(dá)每年20億美元。
賈斯哈尼表示，梅拉高電力公司的微電網(wǎng)并不是電網(wǎng)電力的替代品，但它卻是當(dāng)下印度普通人想要的且支付的起的服務(wù)。目前，這項(xiàng)技術(shù)只能支持照明和手機(jī)充電，但該公司正在探索其他的用途，譬如建立社區(qū)娛樂(lè)中心，把電視、廣播、風(fēng)扇及信息服務(wù)的成本也由一組家庭來(lái)分?jǐn)偅淖冞^(guò)去由單個(gè)用戶承擔(dān)的模式。
高速篩選電池材料
有了使用新材料制成的電池，可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行程，可以保證智能手機(jī)使用更強(qiáng)大的處理器和更炫目的屏幕。美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈的野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司（Wildcat Discovery Technologies）一直從事有關(guān)高速篩選的業(yè)務(wù)，并正在開發(fā)一種新的自動(dòng)化方法，用于高速篩選出制造電池電極的新材料。
這家公司正通過(guò)逐一測(cè)試數(shù)千種物質(zhì)，來(lái)加速識(shí)別出有價(jià)值的能源存儲(chǔ)材料。此前，他們對(duì)外公布了一種磷酸鈷鋰陰極，在普及型的鋰離子磷酸鹽電池中，比通用陰極能多提升超過(guò)25%的能量密度。該公司同時(shí)還展示了一種可以讓電池在較高電壓下更穩(wěn)定工作的電解液。
如何為電池選擇一種理想的材料一直是一個(gè)特別棘手的難題。我們知道，電池裝置有三大主要組件：陽(yáng)極、陰極和電解液。不僅每個(gè)組件都是由很多種物質(zhì)混合形成，而且三者之間還必須協(xié)同良好。這就給研究人員留下了無(wú)數(shù)種尚待開發(fā)的具有潛力的組合方式。
為了使研究人員能夠快速整理出材料的組合方式，野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司采用了一種最初應(yīng)用在藥物開發(fā)實(shí)驗(yàn)室中的方法：高通量組合化學(xué)法。利用這種方法，他們告別了過(guò)去一次只測(cè)試一種材料的模式，而是系統(tǒng)化地平行開展數(shù)千項(xiàng)測(cè)試。該公司的首席執(zhí)行官馬克·格雷瑟爾說(shuō)：“我們?cè)谝粋€(gè)星期內(nèi)，分析和測(cè)試出近3000種材料組合，同時(shí)已經(jīng)找到了能夠?qū)⒛芰棵芏忍嵘?倍的材料。”
為了避免實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的理想材料不適用于具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)流程。野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司找到了利用大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的縮微版來(lái)制造樣品的方法。在實(shí)施中，在對(duì)候選材料的性能進(jìn)行測(cè)試的同時(shí)，也對(duì)它們是否便于制造進(jìn)行測(cè)試。除此之外，野貓公司還在各式各樣的潛在運(yùn)行條件下，將材料組件連在一起組裝成實(shí)際的電池進(jìn)行測(cè)試（見下右圖）。
格雷瑟爾說(shuō)：“包括溫度和電壓在內(nèi)的很多變量都會(huì)對(duì)電池性能構(gòu)成影響，我們必須檢驗(yàn)所有這些變量。”其高速篩選的方法最終取得了喜人的成果：在試驗(yàn)臺(tái)上表現(xiàn)優(yōu)異的材料，拿到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)也同樣出色。
野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司始建于2006年，已籌到1650萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)基金。公司創(chuàng)始人彼得·舒爾茨是斯克里普斯研究所教授，也是高通量組合化學(xué)法的開拓者。目前，該公司靠與大型電池生產(chǎn)商合作的40多個(gè)研究項(xiàng)目獲得收益。
如今，公司正在生產(chǎn)檢測(cè)批次的新材料，希望把這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給材料和電池公司，但這些材料的耐用性還有待提高。經(jīng)過(guò)150個(gè)充電周期后，這些電極材料的容量就會(huì)下降20%。要用于便攜式電子產(chǎn)品，這種電池需要持續(xù)使用數(shù)百個(gè)周期。用于電動(dòng)汽車，電池必須保持80%的存儲(chǔ)容量，使用數(shù)千個(gè)周期。
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