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科技前沿:怎样提高光伏发电效率?

今天我们从两个话题出发,为你提供知识服务。一是光伏龙头企业隆基股份公布年报,业绩大幅增长;二是美的推出“免预热烤箱”。

今天的第一条,是彭天放老师带来的硬科技报告。

最近,被称为“光伏茅”的隆基股份公布了2021年年报,全年营业收入为809亿元,同比增长48%,保持了近几年高增长的态势。不过,净利润的增幅比较小,同比只增长了8%。如果看毛利率的话,隆基股份2021年毛利率为20%,已经连续两年下降。据隆基股份披露,利润率下降,主要是因为原材料紧缺,铜铝等大宗商品涨价,产业链利润向上游转移。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

从隆基股份的年报我们可以看到,光伏市场规模仍然处于高增长阶段。但是,在原材料价格高企的情况下,光伏企业怎样降本增效、保住利润,这是光伏产业要实现长期发展面临的第一个难题。

此外,光伏产业想要在能源结构中占据更重要的位置,还需要解决第二个难题,就是提高发电效率。发电效率是指把太阳能转化成电能的比例。目前常用的光伏材料的发电效率不是很高,只有10%~15%。相比起来,火力发电用的燃气轮机发电效率可以达到40%以上。

如今,提高光伏发电的效率,已经成为全世界的科学团队展开激烈竞争的赛道,比如,在今年4月13日的《自然》杂志上,就同时刊登了两篇提高发电效率的论文。一篇是来自德国的研究团队,他们使用了一种叫“钙钛矿有机叠层”的新型电池,把发电效率提高到了24%。另一篇论文,来自美国麻省理工大学的研究团队,他们通过一个比较冷门的光伏领域——热光伏发电,把发电效率一下子提高到了将近40%。远远超过了普通光伏技术,很是让人惊讶。

下面,我们就向你重点汇报,这个热光伏发电究竟是个什么技术。

所谓热光伏,就是一种必须在特定的高温范围内工作的光伏电池,这个温度范围通常是在2000摄氏度上下。为什么必须在这么高的温度下工作呢?这是因为,热光伏电池的能量来源并不是太阳光,它甚至根本不需要在太阳底下工作。热光伏电池的直接能量来源,其实是它自身在高温下辐射的红外光。

这么说还是有点不太好理解,我在文稿里放了一张图,我们来仔细看一下它的结构。

 

这种热光伏电池看上去就像一个“三明治”。“三明治”的最上层叫做发射层,当发射层被加热到2000℃左右时,它就会像白炽灯的灯丝一样发射出光线。它完成的任务是:把外界的热能转化为了光能——只不过,这个光能主要是在肉眼不可见的红外波段。

“三明治”的中间层叫做热光伏层。它完成的任务是:吸收最上层发射的红外光来产生电能。这层的基本原理和普通的光伏电池吸收太阳光来发电是完全一样的。只不过,这个热光伏层每次只能吸收红外光里一些比较幸运的、能量高的光子。而大部分能量比较低的光子,会像照射玻璃一样直接穿透这一层。

听到这儿你肯定会问,既然只能吸收很少一部分光,那么,热光伏电池的效率为什么还比普通光伏电池高呢?

这就要说到“三明治”的最下面一层了。这一层叫做反射层,它的作用类似一面镜子,把中间层漏过来的光子们都给反射回去。这些反射的光,会再次穿过中间层,重新加热最上面的发射层。换句话说,那些刚才被中间层漏掉的光子,也没有被浪费掉,而是“回炉重造”了。它们等待着再一次被发射层发射出来。然后再次通过中间层,看看是不是会被“幸运地”转化成电能。这样反反复复下去,大多数的能量总有机会在某一次穿过中间层的时候,被转化成电能,整个电池的效率自然也就高了。

根据科学家们的推算,热光伏电池的这种三明治结构,理论上的最高转化效率可以达到50%。而这一次麻省理工学院的研究人员,通过选择合适的材料和加工工艺,让热光伏电池的实际发电效率达到了理论最高转化效率的80%,非常厉害。

说到这儿,我想带你复习一下《得到头条》第107期提到过的一个技术,叫光热发电。它的关键一步就是,通过汇聚太阳光来产生大量的热能。而我们这期节目讲的热光伏发电,主要解决的是,怎么高效地把热能转化成电能。

听到这里,你一定想到了,光热技术和热光伏技术,这一前一后不是刚好可以结合起来嘛?没错,这确实是未来热光伏技术的一个重要潜在应用。白天,用光热技术把太阳能转化热能,这些热能可以把盐给熔化掉,变成一坨炽热的“岩浆”;晚上,可以把热光伏电池贴到这些“岩浆”上,产生电能。

你看,这意味着什么?意味着,无论白天黑夜,我们都可以用上太阳能光伏的稳定供电,完全克服了光伏发电昼夜波动的缺陷,给光伏的应用打开了一个巨大的空间。

 

来看今天的第二条。

最近,美的推出了一款“免预热烤箱”,听名字你就会觉得有点意思。在我们的常识中,用烤箱得先预热,这好像是天经地义的事情。但是再想想,这个所谓的“常识”,其实是一个用户痛点。曾经有一项针对烤箱用户的调研,排在用户痛点前两位的就是烤制时间太长、预热时间太长。排在第三到第五的痛点是:无法达到外焦里嫩的效果、食材周围熟了中间还没熟、难以判断食材是否熟透。

那么,该怎么解决用户最大的痛点,也就是预热和烤制时间长的难题?之前业界的思路是,通过智能化方案提高加热效率,但效果不明显。最根本的解决办法,还是物理改善,也就是在加热管材料上想办法进行突破。原来的烤箱加热管是用金属材料,需要的加热时间很长;后来改用碳纤维材料,加热时间缩短了,但还是需要预热。而美的这次推出的“免预热烤箱”,采用的是目前的热门材料石墨烯作为加热管,据说可以做到在0.2秒之内瞬时升温到1300摄氏度,不用预热,同时大大缩短烘烤时间。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

在我们印象中,烤箱是那种几乎永远不变的产品,各家的烤箱外观看上去都差不多,功能也差不多,很难整出什么花样来。在很难对产品做出“颠覆性创新”的情况下,从用户的使用体验出发进行“微创新”,也是一个方法。除了前面说的“免预约”功能,我还想起两个对烤箱进行“微创新”的例子。

第一个案例是在电烤箱出现的早期,当时美国有家烤箱公司做用户调研,问他们的使用体验。结果有一个老太太提出:你们能不能研发一款能抓老鼠的烤箱?你看,这个需求是不是相当奇怪?很有可能,调研人员把这个需求当做一个无厘头的笑话直接略过去了。幸好他们没有,而是特别认真地追问这个老太太:为什么你想要一台能抓老鼠的烤箱?

老太太回答说,因为每次她烤完面包,都会招来老鼠吃掉下来的面包屑。调研人员恍然大悟:他们找到了用户痛点!当然不可能真的设计一款能抓老鼠的烤箱,而是,应该给烤箱加一个可以抽拉的托盘,这样面包屑就不会掉得到处都是。从那之后,托盘才成为烤箱的标配。

第二个案例是近几年国内的案例。你知道,海尔这些年一直在做智能家电,而且不仅仅是做一个“家电制造商”,而是希望建立用户的高黏性社区,让用户和品牌能够持续产生互动。但是像烤箱这种东西,买完以后除非出故障了,或者要换新的了,否则用户可能八百年都想不起品牌来。平时没事儿你会天天泡在你家烤箱品牌拉的社群里吗?

怎么改进烤箱功能,才能增加用户黏性呢?你可以想想,如果把这个任务交给你,你有哪些招?海尔当时找到著名的设计公司洛可可,洛可可对烤箱用户做了一轮深度调研。其中有个用户问:能不能在烤箱里装个摄像头?你看,这听起来又是一个无厘头的需求。

再一追问,这个用户说,他在玩滑板的时候,会装一个运动相机,这样就能拍到运动过程中的精彩镜头,以便分享到社交媒体。同样的,如果能在烤箱里装个摄像头,拍下食材在烤箱里变化的整个过程,再分享到社交媒体,肯定特别酷。

后来,海尔真的推出了这么一款烤箱,内嵌一枚耐高温摄像头,可以清晰地拍下蛋液沸腾、蛋糕膨胀、颜色变化等烘焙细节。把这些视频上传社交媒体,和原来只能放几张完成后的静态图片完全不同。你看,摄像头的成本也不算高,就这一个小改动,把烤箱从纯粹的家用电器变成了社交工具,这款烤箱也一下子大火,海尔想提高用户黏性的初衷也达到了。

说到这儿,我想起一本书,就叫《微创新》,它不是研究颠覆性的技术创新,而是讲怎么通过一套系统方法论,来对类似烤箱这样的成熟产品进行创新。这本书在得到听书和电子书都有,感兴趣的话你可以去翻翻。

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