太陽能的光熱利用被人們廣為熟知，當(dāng)人們還在苦苦掙扎于如何提高太陽能光熱的轉(zhuǎn)換率時(shí)，美國杜克大學(xué)的人員在太陽能制氫上又邁出重要一步。杜克大學(xué)最新研發(fā)的是一種可鋪設(shè)在屋頂?shù)奶�陽能制氫系統(tǒng)。

太陽能制氫系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率突出

杜克大學(xué)工程師霍茨表示，在屋頂上安裝盛有水和甲醇混合物的真空管，通過太陽照射加溫從而產(chǎn)生氫能。這種真空管表層涂有鋁和氧化鋁，部分真空管中還填充有起催化劑作用的納米顆粒。新技術(shù)從效能上明顯高出現(xiàn)有技術(shù)，且制成的氫能沒有雜質(zhì)。所產(chǎn)生的氫能可以儲存起來，同時(shí)也可以為燃料電池提高能量，這更好地發(fā)揮了太陽能的用途。

霍茨將新系統(tǒng)與太陽能電解水制氫系統(tǒng)和光催化制氫系統(tǒng)的火用（指定狀態(tài)下所給定能量中有可能做出有用功的部分）效率進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，新技術(shù)的能效指數(shù)在夏天為28.5%，冬天為18.5%，而傳統(tǒng)設(shè)備的能效夏天為5%-15%，冬天為2.5%-5%。太陽能電解水制氫系統(tǒng)能將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電流，然后電能將水電解為氫和氧氣。光催化制氫系統(tǒng)的制氫過程與霍茨的系統(tǒng)類似，雖然更為簡單，但是目前看來并不成熟。這些系統(tǒng)所產(chǎn)生的氫能隨后被儲存在不同的電池中，目前來看，鋰電池的儲能性最佳。

據(jù)悉，今年在華盛頓舉行的美國機(jī)械工程師學(xué)會可持續(xù)燃料電池會上，霍茨此篇論文被評定為最佳論文。在完成加州大學(xué)伯克利分校的博士學(xué)位后，霍茨加入了杜克大學(xué)的教師團(tuán)隊(duì)，他在伯克利分校研究此項(xiàng)新系統(tǒng)。目前，霍茨正在杜克大學(xué)組織一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以測試?yán)碚撔�能能否真正�?shí)現(xiàn)。據(jù)悉，霍茨的比較將集中在7月和2月進(jìn)行，以測試系統(tǒng)在不同季節(jié)的表現(xiàn)。

夏季發(fā)電綽綽有余

正如其他太陽能系統(tǒng)，這個(gè)混合裝置的第一過程就是收集太陽能光熱，隨后就變得不同。從遠(yuǎn)處看，這個(gè)裝置很像傳統(tǒng)的太陽能光熱收集器，事實(shí)上，它由一系列涂有鋁和氧化鋁的銅管組成，霍茨表示：“這裝置能吸收95%的太陽光，盡可能多的吸收太陽光這很重要，因?yàn)槲覀円�讓真空管的溫度最終達(dá)到200攝氏度。而傳統(tǒng)的太陽能收集器只能將熱水加溫到60攝氏度至70攝氏度。”隨著溫度的上升并加入少量催化劑，氫氣隨之產(chǎn)生，效能很高。氫氣隨后可以轉(zhuǎn)向燃料電池為建筑提供電力，或者通過壓縮儲存到容器中供以后使用。

霍茨表示：“我們進(jìn)行了成本分析，發(fā)現(xiàn)混合的太陽能-甲烷系統(tǒng)是最為便宜的解決方案，如果要達(dá)到夏天的要求，其總安裝造價(jià)為7900美元，雖然這比傳統(tǒng)的化石燃料驅(qū)動的發(fā)電裝置貴不少。”

據(jù)悉，成本和能效因?yàn)榈攸c(diǎn)不同而有很大差異，系統(tǒng)的成本和效率會因安裝位置的不同而有所區(qū)別。在陽光充沛地區(qū)的屋頂鋪設(shè)這種太陽能裝置，大體上能滿足整個(gè)建筑在冬季的生活用電需求，而夏季產(chǎn)生的電力甚至還能出現(xiàn)富余。這時(shí)業(yè)主可以考慮關(guān)閉部分制氫系統(tǒng)或者將多余的電力出售給電網(wǎng)。“對于邊遠(yuǎn)地區(qū)，這是個(gè)值得考慮的項(xiàng)目，因?yàn)檫呥h(yuǎn)地區(qū)可能不容易獲得傳統(tǒng)能源，或者說造價(jià)比較高。”霍茨提到。據(jù)悉，目前霍茨的研究正得到瑞士國家科學(xué)基金會的支持，同時(shí)還有其他學(xué)校的一些教授對此也表示支持。

傳統(tǒng)太陽能制氫技術(shù)一覽

太陽能制氫技術(shù)主要包括光催化制氫系統(tǒng)、太陽能電解水制氫、太陽能熱水學(xué)循環(huán)制氫、太陽能熱分解水制氫等方式。各種技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同，效能也不一。

光催化劑是指接受光線照射就能促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，利用可見光就可以將水高效分解成氫。目前氧化鈦常被用作水分解成氫和氧過程中的光催化劑，但是氧化鈦只在紫外線照射下才能發(fā)揮催化作用，不能有效利用太陽光中的可見光。日本東京大學(xué)教授堂免一成等研究人員在最新一期英國《自然》雜志上報(bào)告說，他們在氮化鎵和氧化鋅混合的黃色粉末中添加助劑，得到的新型光催化劑在可見光照射下同樣能促進(jìn)水的分解反應(yīng)。而且，實(shí)驗(yàn)顯示，在可見光照射下水的分解效率比以往的方法高約１０倍。

太陽能電解水制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法，但耗電大，用常規(guī)電制氫，從能量利用而言得不償失。所以，只有當(dāng)太陽能發(fā)電的成本大幅度下降后，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫。太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫：為了降低太陽能直接熱分解水制氫要求的高溫，發(fā)展了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，即在水中加入一種或幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經(jīng)歷不同的反應(yīng)階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物不消耗，可循環(huán)使用。太陽能熱分解水制氫：將水或水蒸汽加熱到一定溫度，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。

來源：《中國能源報(bào)》