用水生產(chǎn)大量氫氣是人類夢寐以求的愿望

【專家解說】：太陽能可以通過分解水或其它途徑轉(zhuǎn)換成氫能，即太陽能制氫，其主要方法如 下： （1）太陽能電解水制氫 電解水制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法，效率較高（75％-85％），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，才能實現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫。 （2）太陽能熱分解水制氫 將水或水蒸汽加熱到3000K以上，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。 （3）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。熱化學(xué)循環(huán)分解的溫度大致為900-1200K，這是普通旋轉(zhuǎn)拋物面鏡聚光器比較容易達(dá)到的溫度，其分 解水的效率在17．5％-75．5％。存在的主要問題是中間物的還原，即使按99．9％-99． 99％還原，也還要作 0.1％-0.01％的補(bǔ)充，這將影響氫的價格，并造成環(huán)境污染。 （4）太陽能光化學(xué)分解水制氫 這一制氫過程與上述熱化學(xué)循環(huán)制氫有相似之處，在水中添加某種光敏物質(zhì)作催化劑，增加對陽光中長 波光能的吸收，利用光化學(xué)反應(yīng)制氫。日本有人利用碘對光的敏感性，設(shè)計了一套包括光化學(xué)、熱電反應(yīng)的綜 合制氫流程，每小時可產(chǎn)氫97升，效率達(dá)10％左右。 （5）太陽能光電化學(xué)電池分解水制氫 1972年，日本本多健一等人利用n型二氧化鈦半導(dǎo)體電極作陽極，而以鉑黑作陰極，制成太陽能光電化 學(xué)電池，在太陽光照射下，陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣，兩電極用導(dǎo)線連接便有電流通過，即光電化學(xué)電池 在太陽光的照射下同時實現(xiàn)了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實驗結(jié)果引起世界各國科學(xué)家高度重視， 認(rèn)為是太陽能技術(shù)上的一次突破。但是，光電化學(xué)電他制氫效率很低，僅0．4％，只能吸收太陽光中的紫外光 和近紫外光，且電極易受腐蝕，性能不穩(wěn)定，所以至今尚未達(dá)到實用要求。 （6）太陽光絡(luò)合催化分解水制氫 從1972年以來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三聯(lián)毗啶釘絡(luò)合物的激發(fā)態(tài)具有電子轉(zhuǎn)移能力，并從絡(luò)合催化電荷轉(zhuǎn)移反 應(yīng)，提出利用這一過程進(jìn)行光解水制氫。這種絡(luò)合物是一種催化劑，它的作用是吸收光能、產(chǎn)生電荷分離、電 荷轉(zhuǎn)移和集結(jié)，并通過一系列偶聯(lián)過程，最終使水分解為氫和氧。絡(luò)合催化分解水制氫尚不成熟，研究工作正 在繼續(xù)進(jìn)行。 （7）生物光合作用制氫 40多年前發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽光照射可以放出氫氣；十多年前又發(fā)現(xiàn)，蘭綠藻等許多藻類在 無氧環(huán)境中適應(yīng)一段時間，在一定條件下都有光合放氫作用。 目前，由于對光合作用和藻類放氫機(jī)理了解還不夠，藻類放氫的效率很低，要實現(xiàn)工程化產(chǎn)氫還有相當(dāng) 大的距離。據(jù)估計，如藻類光合作用產(chǎn)氫效率提高到10％，則每天每平方米藻類可產(chǎn)氫9克分子，用5萬平 方公里接受的太陽能，通過光合放氫工程即可滿足美國的全部燃料需要。 2．2．4太陽能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換 通過植物的光合作用，太陽能把二氧化碳和水合成有機(jī)物（生物質(zhì)能）并放出氧氣。光合作用是地球上最 大規(guī)模轉(zhuǎn)換太陽能的過程，現(xiàn)代人類所用燃料是遠(yuǎn)古和當(dāng)今光合作用固定的太陽能，目前，光合作用機(jī)理尚 不完全清楚，能量轉(zhuǎn)換效率一般只有百分之幾，今后對其機(jī)理的研究具有重大的理論意義和實際意義。 2．2．5太陽能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換 20世紀(jì)初，俄國物理學(xué)家實驗證明光具有壓力。20年代，前蘇聯(lián)物理學(xué)家提出，利用在宇宙空間中巨大 的太陽帆，在陽光的壓力作用下可推動宇宙飛船前進(jìn)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能?？茖W(xué)家估計，在未來 10～20年內(nèi)，太陽帆設(shè)想可以實現(xiàn)。 通常，太陽能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要通過中間過程進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。 2．3太陽能貯有 地面上接受到的太陽能，受氣候、晝夜、季節(jié)的影響，具有間斷性和不穩(wěn)定性。因此，太陽能貯存十分必 要，尤其對于大規(guī)模利用太陽能更為必要。 太陽能不能直接貯存，必須轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能貯存。大容量、長時間、經(jīng)濟(jì)地貯存太陽能，在技術(shù) 上比較困難。本世紀(jì)初建造的太陽能裝置幾乎都不考慮太陽能貯存問題，目前太陽能貯存技術(shù)也還未成熟， 發(fā)展比較緩慢，研究工作有待加強(qiáng)。 2.3.1 太陽能貯熱 （1）顯熱貯存 利用材料的顯熱貯能是最簡單的貯能方法。在實際應(yīng)用中，水、沙、石子、土壤等都可作為貯能材料，其中 水的比熱容最大，應(yīng)用較多。七八十年代曾有利用水和土壤進(jìn)行跨季節(jié)貯存太陽能的報道。但材料顯熱較小， 貯能量受到一定限制。 （2）潛熱貯存 利用材料在相變時放出和吸入的潛熱貯能，其貯能量大，且在溫度不變情況下放熱。 在太陽能低溫貯存中常用含結(jié)晶水的鹽類貯能，如10水硫酸鈉／水氯化鈣、12水磷酸氫鈉等。但在使 用中要解決過冷和分層問題，以保證工作溫度和使用壽命。 太陽能中溫貯存溫度一般在100℃以上、500℃以下，通常在300℃左右。適宜于中溫貯存的材料有：高壓 熱水、有機(jī)流體、共晶鹽等。 太陽能高溫貯存溫度一般在500℃以上，目前正在試驗的材料有：金屬鈉、熔融鹽等。 1000℃以上極高溫貯存，可以采用氧化鋁和氧化鍺耐火球。 （3）化學(xué)貯熱 利用化學(xué)反應(yīng)貯熱，貯熱量大，體積小，重量輕，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物可分離貯存，需要時才發(fā)生放熱反應(yīng)，貯存 時間長。