到2050年，超過三分之二的人類將生活在城市中，科學(xué)家和科技公司正在尋找在建筑環(huán)境中利用可再生能源發(fā)電的新方法。

圖1：能夠儲(chǔ)存電力的街燈柱可以降低城市照明成本

將來，我們的辦公室窗戶可以通過太陽(yáng)照射獲取能量，而街道上的燈柱則在混凝土中儲(chǔ)存電力。當(dāng)車輛呼嘯而過時(shí)，垂直風(fēng)力渦輪機(jī)將會(huì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生能量。人行道和公路將會(huì)從通勤者、公共汽車以及卡車運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生少量能量。無人駕駛出租車車隊(duì)將把多余的能源回饋給電網(wǎng)，城市通常會(huì)更有效地利用它們所消耗的能源。

至少，這是許多技術(shù)專家、環(huán)保主義者和城市規(guī)劃者的能源愿景。但它是否真能成為現(xiàn)實(shí)?

圖2：混凝土燈柱可以變成電池，儲(chǔ)存整夜工作所需的電力

新材料展示出更光明的前途。例如，由發(fā)電站廢料制成的水泥混合物可以把建筑物變成電池。這些鉀土溶膠(KGP)復(fù)合材料比普通水泥便宜，每平方米可以儲(chǔ)存500瓦電力。研究人員表示，普通的街燈每晚耗電700瓦，而由KGP制造、配有小型太陽(yáng)能電池板的6米高燈柱可以儲(chǔ)存足夠多的電力，可供整個(gè)晚上使用。

英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)教授穆罕默德·薩菲(Mohamed Saafi)說：“我們已經(jīng)證明，KGP水泥混合物可以用來儲(chǔ)存和傳輸電能，而不需要昂貴的或有害的添加劑。”

圖3：這些小水泥塊能給未來的城市提供電力嗎?

大量使用KGP建造的建筑也可以用來存儲(chǔ)和釋放過剩的電能，以幫助滿足城市電網(wǎng)的需求。新材料也有助于使太陽(yáng)能電池板變得更便宜，更具成本效益。太陽(yáng)能是城市中最常見的可再生能源，且其發(fā)電成本繼續(xù)下跌，從十年前每瓦約3英鎊降至今天的0.4英鎊。

在英國(guó)，超過三分之一的公司已經(jīng)開始自己發(fā)電，主要使用屋頂太陽(yáng)能電池板。但制造硅基太陽(yáng)能電池板需要耗費(fèi)大量能源，它需要1400攝氏度以上的溫度，而且硅的純度必須達(dá)到99.9999%。

圖4：太陽(yáng)能是城市地區(qū)最常見的可再生能源

但美國(guó)布朗大學(xué)工程學(xué)教授尼廷·帕杜爾(Nitin Padture)表示，鈣鈦礦(perovskites)材料制成的太陽(yáng)能電池面板，可以制成更薄、更便宜、所需溫度更低的面板。由于它們是部分透明的，也可以用于窗戶上的玻璃。但其缺點(diǎn)是它們中的大多數(shù)都含有鉛，而鉛是一種有毒的金屬。

不過，帕杜爾教授和他的團(tuán)隊(duì)目前正在研究一種方法：用鈦來取代鉛，他說：“鈦很常見，但沒有人想到用它來取代鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板中的鉛。我們目前還不打算取代現(xiàn)有的硅技術(shù)，但我們希望推動(dòng)它向前發(fā)展。”

圖5：含有鈦的鈣鈦礦可以制作更高效的太陽(yáng)能電池板

風(fēng)能是另一種最常見的可再生能源，傳統(tǒng)的渦輪機(jī)在建造區(qū)域不能很好地工作，因?yàn)轱L(fēng)向變化很大。為此，研究人員尼古拉斯·奧雷拉瓦納(Nicolas Orellana)和亞森·諾蘭尼(Yaseen Noorani)提出了制造球形風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)想，解決風(fēng)向變化的問題。

奧雷拉瓦納與諾蘭尼開發(fā)的O-Wind型風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)贏得了英國(guó)2018年詹姆斯戴森大獎(jiǎng)(James Dyson Award)，它是一個(gè)球形裝置，無論風(fēng)從任何方向吹來，它都能旋轉(zhuǎn)。

來自土耳其的科技公司Devici提供了另一個(gè)解決方案，即在道路上使用垂直風(fēng)力渦輪機(jī)，由過往車輛的氣流提供動(dòng)力。該公司表示，其Enlil渦輪機(jī)目前正在伊斯坦布爾進(jìn)行測(cè)試，每小時(shí)可以產(chǎn)生1千瓦的能量，足以滿足兩戶家庭的電力需求。該公司還稱，這種渦輪機(jī)還可以安裝太陽(yáng)能電池板和地震傳感器。

圖6：伊斯坦布爾街道上的垂直風(fēng)力渦輪機(jī)

但并不是所有的城市能源開采項(xiàng)目都具有商業(yè)意義。例如，在法國(guó)，工程公司Colas已經(jīng)在全國(guó)各地，以及美國(guó)和日本，開辟出光伏道路。Colas已經(jīng)在諾曼底鋪設(shè)了長(zhǎng)近1公里的單行車道，投資430萬英鎊。在美國(guó)建成的1.6公里雙車道公路成本則為380萬英鎊。

還有一個(gè)問題是它們的能源生產(chǎn)能力有多強(qiáng)?太陽(yáng)能電池板是平放在地面上的，而不是朝向太陽(yáng)，為此可能受到交通堵塞的影響，有時(shí)也會(huì)被雪、泥或水覆蓋。

圖7：Colas公司估計(jì)，在擁有5000名居民的小鎮(zhèn)，1公里長(zhǎng)的道路就可以為公共照明提供足夠電力

2014年，阿姆斯特丹建成了長(zhǎng)70米的太陽(yáng)能自行車車道，建設(shè)成本為260萬英鎊。它在建成后第一年就生產(chǎn)了3000千瓦時(shí)電力。而260萬英鎊的建設(shè)成本，這座城市可以在公開市場(chǎng)上購(gòu)買6500萬千瓦時(shí)的電力。

另一項(xiàng)在商業(yè)上難以證明其合理性的技術(shù)是壓電技術(shù)。如果你擠壓某些材料，如石英，就可以使電流通過它們。因此，汽車和卡車在配備壓電裝置的特殊路面上行駛可以產(chǎn)生電力。行人也可以在特制的人行道上這樣做。

2009年，以色列公司Innowattech試驗(yàn)了捕能公路，現(xiàn)在美國(guó)的Pyro-E公司也在加州弗雷斯諾的一小段公路上展示類似的技術(shù)。然而，盡管此舉在技術(shù)上是可行的，但目前的成本卻高得令人望而卻步。

有些人通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)建造1公里長(zhǎng)的雙向捕能公路，需要13000臺(tái)壓電設(shè)備，為建設(shè)成本增加30.7萬英鎊開支。即使不考慮制造或安裝成本，也需要大約12年的時(shí)間才能賺回這筆錢。

英國(guó)的Pavegen公司已經(jīng)開發(fā)出了發(fā)電人行道，行人每走一步就能產(chǎn)生2到4焦耳的能量。這條人行道每平方米的成本約為2350英鎊，現(xiàn)在已經(jīng)在全球超過200個(gè)地點(diǎn)安裝，比如交通樞紐和購(gòu)物中心等。

圖8：Pavegen公司在倫敦建成的發(fā)電人行道，但它是否會(huì)具有成本效益呢?

這聽起來可能很貴，但太陽(yáng)能電池板剛上市時(shí)也是如此。Pavegen創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官勞倫斯·凱姆鮑爾-庫(kù)克(Laurence Kemball-Cook)表示：“我們相信，將我們的城市變得更好的將不僅僅是科技，還有人。”

凱姆鮑爾-庫(kù)克還稱：“重要的是，我們通過應(yīng)用程序?qū)θ藗兊幕?dòng)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。因此，通過在零售環(huán)境或街道上選擇更健康的發(fā)電人行道，你可以幫助所在城市變得更加可持續(xù)性發(fā)展，并可從中獲得回報(bào)。”