用水生产大量氢气是人类梦寐以求的愿望
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时间:2024-08-17 08:57:51
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用水生产大量氢气是人类梦寐以求的愿望【专家解说】:太阳能可以通过分解水或其它途径转换成氢能,即太阳能制氢,其主要方法如 下: (1)太阳能电解水制氢 电解水制氢是目前应用较广且比较
【专家解说】:太阳能可以通过分解水或其它途径转换成氢能,即太阳能制氢,其主要方法如 下: (1)太阳能电解水制氢 电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法,效率较高(75%-85%),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。 (2)太阳能热分解水制氢 将水或水蒸汽加热到3000K以上,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。 (3)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。热化学循环分解的温度大致为900-1200K,这是普通旋转抛物面镜聚光器比较容易达到的温度,其分 解水的效率在17.5%-75.5%。存在的主要问题是中间物的还原,即使按99.9%-99. 99%还原,也还要作 0.1%-0.01%的补充,这将影响氢的价格,并造成环境污染。 (4)太阳能光化学分解水制氢 这一制氢过程与上述热化学循环制氢有相似之处,在水中添加某种光敏物质作催化剂,增加对阳光中长 波光能的吸收,利用光化学反应制氢。日本有人利用碘对光的敏感性,设计了一套包括光化学、热电反应的综 合制氢流程,每小时可产氢97升,效率达10%左右。 (5)太阳能光电化学电池分解水制氢 1972年,日本本多健一等人利用n型二氧化钛半导体电极作阳极,而以铂黑作阴极,制成太阳能光电化 学电池,在太阳光照射下,阴极产生氢气,阳极产生氧气,两电极用导线连接便有电流通过,即光电化学电池 在太阳光的照射下同时实现了分解水制氢、制氧和获得电能。这一实验结果引起世界各国科学家高度重视, 认为是太阳能技术上的一次突破。但是,光电化学电他制氢效率很低,仅0.4%,只能吸收太阳光中的紫外光 和近紫外光,且电极易受腐蚀,性能不稳定,所以至今尚未达到实用要求。 (6)太阳光络合催化分解水制氢 从1972年以来,科学家发现三联毗啶钉络合物的激发态具有电子转移能力,并从络合催化电荷转移反 应,提出利用这一过程进行光解水制氢。这种络合物是一种催化剂,它的作用是吸收光能、产生电荷分离、电 荷转移和集结,并通过一系列偶联过程,最终使水分解为氢和氧。络合催化分解水制氢尚不成熟,研究工作正 在继续进行。 (7)生物光合作用制氢 40多年前发现绿藻在无氧条件下,经太阳光照射可以放出氢气;十多年前又发现,兰绿藻等许多藻类在 无氧环境中适应一段时间,在一定条件下都有光合放氢作用。 目前,由于对光合作用和藻类放氢机理了解还不够,藻类放氢的效率很低,要实现工程化产氢还有相当 大的距离。据估计,如藻类光合作用产氢效率提高到10%,则每天每平方米藻类可产氢9克分子,用5万平 方公里接受的太阳能,通过光合放氢工程即可满足美国的全部燃料需要。 2.2.4太阳能-生物质能转换 通过植物的光合作用,太阳能把二氧化碳和水合成有机物(生物质能)并放出氧气。光合作用是地球上最 大规模转换太阳能的过程,现代人类所用燃料是远古和当今光合作用固定的太阳能,目前,光合作用机理尚 不完全清楚,能量转换效率一般只有百分之几,今后对其机理的研究具有重大的理论意义和实际意义。 2.2.5太阳能-机械能转换 20世纪初,俄国物理学家实验证明光具有压力。20年代,前苏联物理学家提出,利用在宇宙空间中巨大 的太阳帆,在阳光的压力作用下可推动宇宙飞船前进,将太阳能直接转换成机械能。科学家估计,在未来 10~20年内,太阳帆设想可以实现。 通常,太阳能转换为机械能,需要通过中间过程进行间接转换。 2.3太阳能贮有 地面上接受到的太阳能,受气候、昼夜、季节的影响,具有间断性和不稳定性。因此,太阳能贮存十分必 要,尤其对于大规模利用太阳能更为必要。 太阳能不能直接贮存,必须转换成其它形式能量才能贮存。大容量、长时间、经济地贮存太阳能,在技术 上比较困难。本世纪初建造的太阳能装置几乎都不考虑太阳能贮存问题,目前太阳能贮存技术也还未成熟, 发展比较缓慢,研究工作有待加强。 2.3.1 太阳能贮热 (1)显热贮存 利用材料的显热贮能是最简单的贮能方法。在实际应用中,水、沙、石子、土壤等都可作为贮能材料,其中 水的比热容最大,应用较多。七八十年代曾有利用水和土壤进行跨季节贮存太阳能的报道。但材料显热较小, 贮能量受到一定限制。 (2)潜热贮存 利用材料在相变时放出和吸入的潜热贮能,其贮能量大,且在温度不变情况下放热。 在太阳能低温贮存中常用含结晶水的盐类贮能,如10水硫酸钠/水氯化钙、12水磷酸氢钠等。但在使 用中要解决过冷和分层问题,以保证工作温度和使用寿命。 太阳能中温贮存温度一般在100℃以上、500℃以下,通常在300℃左右。适宜于中温贮存的材料有:高压 热水、有机流体、共晶盐等。 太阳能高温贮存温度一般在500℃以上,目前正在试验的材料有:金属钠、熔融盐等。 1000℃以上极高温贮存,可以采用氧化铝和氧化锗耐火球。 (3)化学贮热 利用化学反应贮热,贮热量大,体积小,重量轻,化学反应产物可分离贮存,需要时才发生放热反应,贮存 时间长。
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