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屋頂太陽能制氫系統(tǒng)讓氫能來得更容易

2011/8/19 9:08:25       

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柲苤茪湎到y(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(chǔ)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(duì)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(jiǎn)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(chǔ)存在不同的電池中,目前來看,鋰電池的儲(chǔ)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(huì)可持續(xù)燃料電池會(huì)上,霍茨此篇論文被評(píng)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(cè)試?yán)碚撔苣芊裾嬲龑?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(cè)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屨婵展艿臏囟茸罱K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!彪S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(chǔ)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(dòng)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(huì)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(duì)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!被舸奶岬。據(jù)悉,目前霍茨的研究正得到瑞士國家科學(xué)基金會(huì)的支持,同時(shí)還有其他學(xué)校的一些教授對(duì)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?cè)诘壓脱趸\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)》

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