光液技術(shù)細(xì)節(jié)之二：以史為鑒

光液技術(shù)細(xì)節(jié)之二 以史為鑒

摘要（1）簡(jiǎn)短回顧跟光液技術(shù)相關(guān)的歷史、及相關(guān)技術(shù)發(fā)展歷程。

（2）與光液相關(guān)的技術(shù)歷史，從發(fā)展的動(dòng)力、過(guò)程及目前的結(jié)果分析接下來(lái)光液技術(shù)會(huì)往哪個(gè)方向發(fā)展。

（3）根據(jù)分析設(shè)計(jì)出一個(gè)具有使用價(jià)值的，最小光液系統(tǒng)。并分析該系統(tǒng)的性能

關(guān)鍵詞太陽(yáng)能；歷史；光液；發(fā)電；光液。

引言

前事不忘后事之師，這個(gè)思想在技術(shù)發(fā)展上尤為重要。

光液的技術(shù)歸結(jié)于太陽(yáng)能的利用，太陽(yáng)能的利用始于人類學(xué)會(huì)鉆木取火，第一次主觀能動(dòng)地利用了太陽(yáng)能。目前人類除了核能、地?zé)徇@兩類能源外的所有能源利用方式，都是在利用太陽(yáng)能。明白這樣一個(gè)道理。那就以光液技術(shù)有沒(méi)有可能會(huì)成為利用太陽(yáng)能的主要形式為辯題。

1 太陽(yáng)能利用形式

1．1 太陽(yáng)能利用的形式及開(kāi)始時(shí)間

1．1．1 火、聚光、風(fēng)

火的使用是使用了燃料里存儲(chǔ)的太陽(yáng)能，原始人類從自然天火的利用得到了好處。進(jìn)而學(xué)會(huì)了主動(dòng)獲得和保留火源。這一時(shí)代可能早于石器時(shí)代。智人及人類文明，也可以使用是否主動(dòng)獲得火作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在智人或人類文明出現(xiàn)后的百萬(wàn)年里，智人或人類文明進(jìn)步非常緩慢。直到數(shù)千年前，人類有了文字記載。人類利用太陽(yáng)能的最佳方式仍然是火。

遠(yuǎn)在8000多年前，埃及尼羅河流域就出現(xiàn)了以蘆草為船體加上簡(jiǎn)陋的帆制成的帆船，這可以說(shuō)是現(xiàn)代帆船之祖。最早的帆船競(jìng)技記載是公元前1世紀(jì)古羅馬詩(shī)人維吉爾在敘事詩(shī)《伊尼特》中詳細(xì)地描述了特洛伊到意大利的一次帆船競(jìng)賽活動(dòng)，并描述了比賽結(jié)束后優(yōu)勝者和參加者的獲獎(jiǎng)情況。

帆船的出現(xiàn)是太陽(yáng)能里的革命性標(biāo)志，讓人類走得更遠(yuǎn)。直到哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，風(fēng)能仍是人類旅行的第一大動(dòng)力源。

最晚于公元前700年，古埃及人與美索不達(dá)米亞人便開(kāi)始磨制與使用透鏡，這是太陽(yáng)能利用的又一次質(zhì)的飛躍。

1．1．2 煤炭、水力水電

人類何時(shí)開(kāi)始使用煤炭無(wú)法追溯，但大規(guī)模使用煤炭是在工業(yè)革命開(kāi)始后，人類使用大量的煤炭。煤炭發(fā)電可追溯到蒸汽機(jī)出現(xiàn)后的規(guī)模發(fā)電。在1831年8月29日，法拉第使機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。兩個(gè)月后，試制了能產(chǎn)生穩(wěn)恒電流的第一臺(tái)真正的發(fā)電機(jī)。標(biāo)志著人類從蒸汽時(shí)代進(jìn)入了電氣時(shí)代。煤電不久也隨之產(chǎn)生了。

人類何時(shí)開(kāi)始水力利用也無(wú)法追溯。東漢桓譚（公元前23年—公元56年）在《桓子新論》中最早用文字記載了人類對(duì)水力的應(yīng)用“宓羲之制杵臼，萬(wàn)民以濟(jì)，及后人加巧因延力，借身重以踐碓，而利十倍杵臼。又復(fù)設(shè)機(jī)關(guān)，用驢嬴牛馬及役水而舂，其利乃且百倍?！?/p>

而水電的歷史可追溯到1878年，世界上第一個(gè)水力發(fā)電項(xiàng)目點(diǎn)亮了英格蘭諾森伯蘭鄉(xiāng)村小屋的一盞燈。

煤炭和水力，直到今天仍然是人類利用太陽(yáng)能的主要形式。而這個(gè)歷史不到300年。

1．1．3 石油天然氣、光熱光伏

從3000多年前周代算起，《易經(jīng)》中有“上火下澤”、“澤中有火”等。這是人類發(fā)現(xiàn)并利用天然氣使用的最早記載。石油天然氣的規(guī)模利用始于十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初有了飛速的發(fā)展。甚至可以這樣說(shuō)第一、二次世界大戰(zhàn)是由石油天然氣引起的。如果只是使用煤炭、水力。人類沒(méi)有辦法投入這么多的戰(zhàn)爭(zhēng)資源。

公元50年，羅馬人開(kāi)始在窗戶上安裝玻璃，通過(guò)我們今天所謂的溫室效應(yīng)把熱能更多更長(zhǎng)久地留在室內(nèi)，既用于供暖，也用于產(chǎn)出水果和蔬菜。這是人類早期利用光熱的記載。

1839年法國(guó)科學(xué)家E．Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)，開(kāi)啟了人類太陽(yáng)能利用的量子時(shí)代。

隨著頁(yè)巖氣的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力增加、中國(guó)帶動(dòng)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)2030年后，天然氣、光伏發(fā)電。會(huì)是太陽(yáng)能利用的有效方式。

2 太陽(yáng)能利用的決定因素

太陽(yáng)能的利用歷史漫長(zhǎng)而又緩慢，幾乎是每個(gè)利用方式的轉(zhuǎn)變或出現(xiàn)都伴隨了人類文明及人本身的改變。這一現(xiàn)象用歷史的辯證思維來(lái)看，人類的未來(lái)也繼續(xù)延續(xù)這規(guī)律。那么天然氣、光伏就會(huì)是人類太陽(yáng)能利用的最終形式了嗎？

下面從效率、能量密度、使用場(chǎng)景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值角度來(lái)討論。（本文為科普性質(zhì)文章，非專業(yè)學(xué)術(shù)論文，故所有數(shù)據(jù)不去論證）

2．1 效率和密度

太陽(yáng)能利用的效率是指太陽(yáng)能有效投射到地面。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、最終變成有效為人類服務(wù)的能源。火的利用，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換效率約為0～3％，最有效的是甘蔗一類植物。生物質(zhì)的生產(chǎn)、收集和運(yùn)送會(huì)耗費(fèi)很大一部分能量。最終利用效率會(huì)低于3％。而化石能源歸結(jié)于生物質(zhì)能源的一種，只是利用了億萬(wàn)年的時(shí)間累積富集的太陽(yáng)能。

太陽(yáng)能光熱利用，光熱轉(zhuǎn)換熱能0～80％。其服務(wù)人類的形式非常多。如用來(lái)取暖，效率會(huì)非常高。而用來(lái)發(fā)電效率會(huì)在0～29％。轉(zhuǎn)為化學(xué)能，根據(jù)不同的太陽(yáng)能制氫，重整甲烷，生產(chǎn)甲醇，重整甲醇等等的研究。最高轉(zhuǎn)換效率為75％。

太陽(yáng)能光伏的利用轉(zhuǎn)換效率0～45％。

太陽(yáng)能投射到地球的能量密度是一定的在。在地球表面能量密度是1．33KW／M2。

而電的能量密度是有電的載體決定的，儲(chǔ)電量最高的商品化電－電池是0．4KWh／KG（非化學(xué)電池）。電能是所有服務(wù)人類里最好的能源方式。光伏轉(zhuǎn)換效率高、傳送方便，但電的能量載體能量密度不高。即便光伏發(fā)電成本降低，儲(chǔ)能也會(huì)限制其應(yīng)用。

有光合作用的產(chǎn)生的生物質(zhì)、或其他方式轉(zhuǎn)為化學(xué)能的能量密度炭、氫氣、甲烷和甲醇理論凈熱值9．17KWH／KG、39．72KWH／KG、15．56KWH／KG、6．39KWH／KG。這些能量是可存儲(chǔ)的。而氣態(tài)不方便儲(chǔ)存使用，固態(tài)不方便輸送。甲醇會(huì)是最好的利用方式。

而光轉(zhuǎn)換成炭、氫氣、甲烷和甲醇的效率有如何呢？會(huì)比光伏效率高嗎？如果高于光伏。那么甲醇是具備與光伏競(jìng)爭(zhēng)的條件。

2．2 使用場(chǎng)景

太陽(yáng)能的使用場(chǎng)景很多，不贅述。簡(jiǎn)單比較一下電能、甲醇兩種方式的應(yīng)用場(chǎng)景。

電能的應(yīng)用幾乎無(wú)處不在，方便，直接。甲醇的應(yīng)用現(xiàn)在幾乎很少很少。這并不代表甲醇沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。比如，在汽車上的應(yīng)用于。如果電儲(chǔ)能密度很高，達(dá)到甲醇的十分之一。那么甲醇都能勝出。因?yàn)榧状嫁D(zhuǎn)電能在30％以上。也就是說(shuō)如果從太陽(yáng)能到電能、甲醇的轉(zhuǎn)換效率相同。那么甲醇仍能從競(jìng)爭(zhēng)中勝出。

另外一個(gè)是熱利用，如果電直接換熱能，電能通過(guò)電力線路輸送，甲醇通過(guò)管道輸送。在二者價(jià)格一樣的情況下。人們可能會(huì)選擇甲醇來(lái)做飯，甲醇作為工廠里的某些加熱源。而不是電能。

也就是說(shuō)甲醇和電能能夠形成互補(bǔ)。前提是經(jīng)濟(jì)上、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率上甲醇和電能相當(dāng)。

2．3 經(jīng)濟(jì)價(jià)值及對(duì)人的影響

經(jīng)濟(jì)價(jià)值上甲醇、電能的計(jì)算太過(guò)于復(fù)雜。也無(wú)法計(jì)算。從存在就是合理的角度來(lái)判斷到底太陽(yáng)能利用是甲醇占優(yōu)還是電能占優(yōu)？可以這樣思考，目前的石油、天然氣、煤炭為什么能成為主要的能源。這是經(jīng)過(guò)時(shí)間累積、大自然富集的太陽(yáng)能。如果我們將這個(gè)時(shí)間累積壓縮成1年，富集范圍擴(kuò)大一萬(wàn)倍。轉(zhuǎn)換效率提高。那么得到的甲醇。就是如現(xiàn)在的化石能源一樣占優(yōu)?；谶@一判斷。我認(rèn)為甲醇很有可能延續(xù)化石能源的優(yōu)勢(shì)，在光伏時(shí)代繼續(xù)發(fā)揮能源的作用。

對(duì)人的影響而言，甲醇、光伏、核電、地?zé)徇@四個(gè)能源都會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。如光伏制造過(guò)程會(huì)有一些污染、儲(chǔ)能問(wèn)題，核電會(huì)有致命的危險(xiǎn)。但甲醇生產(chǎn)的光液技術(shù)有一些優(yōu)勢(shì)是其他沒(méi)有的。那就是零污染，解決污染。其他的能源有的如輸送方便、能量密度、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易程度等光液技術(shù)都具備。

3 微小型光液系統(tǒng)

這樣一個(gè)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。要設(shè)計(jì)完整和計(jì)算清楚是一個(gè)很艱辛的過(guò)程。我目前在設(shè)計(jì)一個(gè)聚光面積400平米。利用沼氣，沼渣碳化日生產(chǎn)100KG的甲醇的系統(tǒng)。（在數(shù)月之后會(huì)公布）

讓我們先看一下日本某個(gè)機(jī)構(gòu)的研究成果。原來(lái)光液技術(shù)已經(jīng)存在數(shù)十年之久。但沒(méi)有發(fā)展起來(lái)。就如同光伏已經(jīng)存在上百年，當(dāng)然類似光液技術(shù)的最基本原理并非日本某個(gè)人發(fā)明發(fā)現(xiàn)的。任何一個(gè)理科的高中畢業(yè)生都能夠發(fā)明這樣的一種方法。

下面圖片來(lái)自DOI 10．1016／j．energy．2004．08．021 《Development of Green－fuel Production Technology by Combination of Fossil Fuel and Renewable Energy》作者
KATAYAMA，Yukuo。

這個(gè)技術(shù)至今沒(méi)有工程應(yīng)用實(shí)例。說(shuō)明經(jīng)濟(jì)上不可行，效率上不可行。

圖 1 光熱系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)效率

從這個(gè)圖示看，光熱提供了7．6％的能量，而電解電能提供了43．4％的能。轉(zhuǎn)換為氫氣為38．5％的能量。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單思考、知道從事這些研究的人員的不知道那個(gè)產(chǎn)出更有效率和更有價(jià)值導(dǎo)致了這個(gè)設(shè)計(jì)的失敗。

開(kāi)采出甲烷，煤炭。能力密度更高。為什么還去轉(zhuǎn)換成甲醇？

太陽(yáng)能光熱發(fā)電，電能更有效服務(wù)人類。為什么還去電解氫生產(chǎn)甲醇？

今天才看到這個(gè)文章的。經(jīng)過(guò)這樣的對(duì)比之后得微小型光液系統(tǒng)是可行。因?yàn)槲⑿⌒凸庖合到y(tǒng)太陽(yáng)能利用效率比這個(gè)系統(tǒng)高。當(dāng)然，具體還是需要計(jì)算和實(shí)踐才能得到數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

所以呢，光液技術(shù)是值得研究和實(shí)踐的。

作者梁云