装个太阳能电池板，沙漠中长出了繁茂的蔬菜
编译 |《环球零碳》团队
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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：在沙漠中装上太阳能电池板，不仅可以发电，还能吸收空气水分用来种植蔬菜。沙特阿拉伯科学家的这套装置，称为“一种自给自足、太阳能驱动的集成水、电、作物联合生产系统”。目标是创建一个清洁能源、水和食品生产的一体化系统。
沙特阿拉伯的气候和地理环境，可能是地球上最不可能想象绿叶蔬菜能繁茂生长的地方。
这里的夏季炎热干燥，最高气温甚至可达50℃以上，而且降雨量很少，年平均降雨不超过200毫米，夏季和春季更少。
然而，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的科学家3月1日发表在《细胞》杂志的子刊《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）上的一项研究，展示了在沙漠地区，如何利用太阳能电池板从空气中提取足够的水蒸气来浇灌种子，并在沙漠中种植蔬菜，几周后就可收获的整个过程。
世界卫生组织估计，全球至少有20亿人缺乏安全饮用水，8亿人无法用上电，7亿人持续遭受饥荒。
这个创造，既解决了发电问题，又可用来提取饮用水，还能给当地供应蔬菜，可谓一举三得。那么，这套装置到底是怎么工作的呢？
图说：系统装置示意图
01
电量增加了近10%，作物成活率达到95%
阿卜杜拉国王科技大学环境科学与工程教授王鹏(Peng Wang，音译)是这项工作的主导者。他在一份声明中表示：“世界上仍有一部分人口无法获得清洁水或绿色电力，他们中的许多人生活在气候干旱或半干旱的农村地区。我们的设计利用原本会被浪费的清洁能源从空气中提取水，适合沙漠和海洋岛屿等偏远地区分散的小规模农场。”
据估计，大气中有129亿吨淡水，加州研究人员预计，这些淡水每天可以轻松地为20多亿有需要的人每人提供5升水。
王鹏教授的这套设置，称为“一种自给自足、太阳能驱动的集成水、电、作物联合生产系统”，简称WEC2P。
WEC2P系统由涂有水凝胶的太阳能电池板组成，水凝胶是一种柔软的亲水聚合物。
涂有水凝胶的太阳能电池板安装在一个巨大的金属盒子的顶部，这个盒子将空气中的水蒸气转化为液态水，用于种植农作物。
研究人员用三组光伏电池板测试了这一想法，每组光伏电池板的大小大致相当于一张宽纸。实验从去年5月持续到6月。
大多数太阳能电池板只吸收20%的阳光，而另外80%的太阳能电池板为结构加热。王鹏团队开发的这种独特的水凝胶，可以吸收空气中的蒸汽，加热时会释放出水。这种水凝胶用于太阳能电池板，可以捕获并利用水来冷却太阳能电池板，增加太阳能电池板的能量输出。
收集到的水蒸气也可以被收集到瓶子里，用于饮用或给作物补充水分。
随着水凝胶的应用，研究人员记录到发电量增加了近10%，产生了1519瓦时的电力，几乎足以为一个白炽灯泡供电24小时。
去年夏天，经过两周的炎热天气，研究人员能够种植菠菜，作物成活率达到95%。
图说：蔬菜长势良好
02
水凝胶发挥了重要作用
据专家们说，这项技术为改善食品和水安全提供了一种“可持续和低成本的战略”。
它被描述为“低成本”，因为水凝胶使用的材料便宜到每公斤1美元，尽管建造和部署这样一个系统的总成本会高得多。
除了为农作物的生长提供动力外，从空气中收集水蒸气也可以提供清洁的饮用水。
更重要的是，这项技术解决了太阳能电池板一个鲜为人知的问题：它利用了太阳能电池板无法实际使用的太阳光能量。
商用太阳能电池板通常可以将不到四分之一的吸收太阳光转化为电能，而其余的辐射要么以热量的形式损失，要么会加热电池板，这反过来又降低了电池板的效率。
由于太阳能电池板的效率随着温度每升高1摄氏度而降低，因此在炎热的环境中，比如阿拉伯沙漠，散热问题就会变得更加尖锐。
图说：WEC2P系统工作原理
不幸的是，用传统技术(包括制冷或空调)来冷却太阳能电池板的努力，往往会消耗太多能源。
几年前，王鹏的团队开始研究使用水凝胶的概念，水凝胶是由不溶于水的交联的亲水性(亲水)聚合物组成的三维网络，可以解决这个问题。
水凝胶一个耐人寻味的特性是它能够自我粘附在物体的表面上，包括太阳能电池板的底面。
2020年，他们的报告说，这种水凝胶可以释放足够的水，使面板温度降低10摄氏度。
从那时起，他们就把注意力转向了利用这些水，比如在沙漠中种植庄稼。
虽然水凝胶吸收了环境中的水蒸气，但正是面板产生的过量热量将吸收的水赶出了水凝胶。
在夏季和冬季，这种凝胶可以从夜间闷热的空气中吸收水分，然后随着白天温度的上升而释放液体。
图说：太阳能光伏电池板和下面使用吸水水凝胶来保持凉爽并提高效率
去年6月，在天气非常炎热的时候，该团队在沙特阿拉伯使用WEC2P进行了为期两周的植物生长测试。
他们只用从空气中收集的水来灌溉种植在塑料种植箱中的60粒菠菜种子。
60颗菠菜种子中有57颗成功发芽，正常生长到7英寸(18厘米)。
在两周的时间里，水凝胶总共凝结了大约2升水。
03
性能还有待提高才有商业价值
为了将概念验证设计转化为实际产品，该团队计划创造一种更好的水凝胶，可以从空气中吸收更多的水。
王鹏说，我们的目标是创建一个清洁能源、水和食品生产的一体化系统，特别是我们设计中的水创造部分。
该系统的一个潜在问题是，它依赖于高湿度，需要周围空气中有大量水蒸气。在非常干燥的气候下可能不太有效。
王鹏告诉媒体，该系统的性能和成本还需要进一步大幅提高，才能在经济上具有吸引力。
“确保地球上的每个人都能获得清洁的水和负担得起的清洁能源，是联合国制定的可持续发展目标的一部分”，王鹏补充道，“我希望我们的设计可以是一个分散的电力和供水系统，为家庭和水上作物提供照明。”
这项研究得到了阿卜杜拉国王科技大学的财政支持。
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参考资料：
[1]https://www.courthousenews.com/saudi-arabia-experiment-demonstrates-how-solar-panels-can-be-used-to-grow-crops-in-the-desert/
[2]https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-10564395/Solar-panels-successfully-grow-spinach-pulling-water-vapour-experts-report.html
俄乌冲突专区
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