屋顶太阳能制氢系统让氢能来得更容易

　　太阳能的光热利用被人们广为熟知，当人们还在苦苦挣扎于如何提高太阳能光热的转换率时，美国杜克大学的人员在太阳能制氢上又迈出重要一步。杜克大学最新研发的是一种可铺设在屋顶的太阳能制氢系统。 太阳能制氢系统转化率突出 杜克大学工程师霍茨表示，在屋顶上安装盛有水和甲醇混合物的真空管，通过太阳照射加温从而产生氢能。这种真空管表层涂有铝和氧化铝，部分真空管中还填充有起催化剂作用的纳米颗粒。新技术从效能上明显高出现有技术，且制成的氢能没有杂质。所产生的氢能可以储存起来，同时也可以为燃料电池提高能量，这更好地发挥了太阳能的用途。 霍茨将新系统与太阳能电解水制氢系统和光催化制氢系统的火用（指定状态下所给定能量中有可能做出有用功的部分）效率进行了对比。结果显示，新技术的能效指数在夏天为28.5%，冬天为18.5%，而传统设备的能效夏天为5%-15%，冬天为2.5%-5%。太阳能电解水制氢系统能将太阳能直接转化为电流，然后电能将水电解为氢和氧气。光催化制氢系统的制氢过程与霍茨的系统类似，虽然更为简单，但是目前看来并不成熟。这些系统所产生的氢能随后被储存在不同的电池中，目前来看，锂电池的储能性最佳。 据悉，今年在华盛顿举行的美国机械工程师学会可持续燃料电池会上，霍茨此篇论文被评定为最佳论文。在完成加州大学伯克利分校的博士学位后，霍茨加入了杜克大学的教师团队，他在伯克利分校研究此项新系统。目前，霍茨正在杜克大学组织一项实验，以测试理论效能能否真正实现。据悉，霍茨的比较将集中在7月和2月进行，以测试系统在不同季节的表现。 夏季发电绰绰有余 正如其他太阳能系统，这个混合装置的第一过程就是收集太阳能光热，随后就变得不同。从远处看，这个装置很像传统的太阳能光热收集器，事实上，它由一系列涂有铝和氧化铝的铜管组成，霍茨表示：“这装置能吸收95%的太阳光，尽可能多的吸收太阳光这很重要，因为我们要让真空管的温度最终达到200摄氏度。而传统的太阳能收集器只能将热水加温到60摄氏度至70摄氏度。”随着温度的上升并加入少量催化剂，氢气随之产生，效能很高。氢气随后可以转向燃料电池为建筑提供电力，或者通过压缩储存到容器中供以后使用。 霍茨表示：“我们进行了成本分析，发现混合的太阳能-甲烷系统是最为便宜的解决方案，如果要达到夏天的要求，其总安装造价为7900美元，虽然这比传统的化石燃料驱动的发电装置贵不少。” 据悉，成本和能效因为地点不同而有很大差异，系统的成本和效率会因安装位置的不同而有所区别。在阳光充沛地区的屋顶铺设这种太阳能装置，大体上能满足整个建筑在冬季的生活用电需求，而夏季产生的电力甚至还能出现富余。这时业主可以考虑关闭部分制氢系统或者将多余的电力出售给电网。“对于边远地区，这是个值得考虑的项目，因为边远地区可能不容易获得传统能源，或者说造价比较高。”霍茨提到。据悉，目前霍茨的研究正得到瑞士国家科学基金会的支持，同时还有其他学校的一些教授对此也表示支持。 传统太阳能制氢技术一览 太阳能制氢技术主要包括光催化制氢系统、太阳能电解水制氢、太阳能热水学循环制氢、太阳能热分解水制氢等方式。各种技术侧重点不同，效能也不一。 光催化剂是指接受光线照射就能促进化学反应，利用可见光就可以将水高效分解成氢。目前氧化钛常被用作水分解成氢和氧过程中的光催化剂，但是氧化钛只在紫外线照射下才能发挥催化作用，不能有效利用太阳光中的可见光。日本东京大学教授堂免一成等研究人员在最新一期英国《自然》杂志上报告说，他们在氮化镓和氧化锌混合的黄色粉末中添加助剂，得到的新型光催化剂在可见光照射下同样能促进水的分解反应。而且，实验显示，在可见光照射下水的分解效率比以往的方法高约１０倍。 太阳能电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法，但耗电大，用常规电制氢，从能量利用而言得不偿失。所以，只有当太阳能发电的成本大幅度下降后，才能实现大规模电解水制氢。太阳能热化学循环制氢：为了降低太阳能直接热分解水制氢要求的高温，发展了一种热化学循环制氢方法，即在水中加入一种或几种中间物，然后加热到较低温度，经历不同的反应阶段，最终将水分解成氢和氧，而中间物不消耗，可循环使用。太阳能热分解水制氢：将水或水蒸汽加热到一定温度，水中的氢和氧便能分解。这种方法制氢效率高，但需要高倍聚光器才能获得如此高的温度，一般不采用这种方法制氢。