新能源开发利用：经济、理想的氢能源循环体系，光合作用类似

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：于是有人提出一种最经济、最理想的获得氢能源的循环体系，其过程类似于光合作用。这是一个巨大的潜在的能源宝库，是一种取之不尽、可再生、无污染、储量巨大但尚未得到大力开发利用的新能源。截至2014年年底，世界风力发电总量居前三位的分别是德国、西班牙和美国，它们的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。甲烷在燃烧时产生淡蓝色的火焰，并释放出大量的热。

（一）太阳能

太阳是一个炽热的气体球，蕴藏着无比巨大的能量。地球上除地热能和核能之外，所有能源都来源于太阳能，因此，太阳能是人类的“能源之母”。地球上各种能源都起源于太阳，太阳不断地进行着激烈的热核反应，释放出大量核能，并以辐射波的形式传送到宇宙空间。太阳每秒钟向宇宙辐射的能量，大约相当于1.3×1018t标准煤燃烧时放出的热量，其中的1/（22亿）传到地球上来。这些能量中一部分以短波辐射的形式返回宇宙空间，另一部分被大气、陆地和海洋吸收，最后以长波形式返回宇宙空间；被地球上植物光合作用利用的能量大约只有0.02%。如果一年中地球获得的全部太阳能全部加以利用，约可供人类用3万多年，而太阳的聚变估计可以维持60亿年以上。可见，太阳可称得上是人类取之不尽、用之不竭的能源宝库。

太阳能的利用方法主要有以下三种：

1.太阳能的光热转换

由于太阳能比较分散，能量密度低，必须设法把它集中起来，所以集热器是利用太阳能装置的关键部分，其目的是设法增加辐射能的吸收量，减少反射量。近十多年来，太阳能的光热利用发展很快，已经制成了各式各样的太阳能集热器，将太阳光的热能用于取暖、制冷、冶炼、洗浴、发电等许多方面，大大节省了其他能源。常见的利用太阳能光热转换装置有太阳能热水器、太阳能辐射灶、太阳能发电站（图6-2-3）等等。

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图6-2-3　太阳能发电示意图

2.太阳能的光电转换

要将太阳能直接转换成电能，就需要能量转换装置，太阳能电池就是一种光电能量转换器。太阳能电池使用的转换元件一般是硅，称为硅光电池。通常用的硅太阳能电池的转化率高达13%～17%。

太阳能电池为太阳能的利用开辟了广阔的途径，人造卫星和宇宙飞船探测宇宙空间时使用了重量轻、使用寿命长和耐冲击振动的太阳能电池。卫星和飞船的巨大铁翅膀上就密密麻麻排满了太阳能电池，组成了太阳能电池板。此外，太阳能飞机、太阳能汽车、太阳能电视机、太阳能电话等，都是使用太阳能电池而工作的。

3.太阳能的光化学转换

目前，太阳能与化学能之间的转换主要通过植物的光合作用和光催化反应来实现（图6-2-4）。由于氢气是除核燃料外，发热值最高的一种燃料，且其燃烧性能好，燃点高，燃烧速度快，无毒，在氧化燃烧或转化过程中主要产物为水，所以，氢气是理想的能量载体。

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图6-2-4　太阳能光化学分解制氢循环模式

这为太阳能的能量储备开辟了一条新的道路。太阳能可以通过先转化为氢气进行储备。但是要想获得一种既经济又可行的太阳能-氢能的转化方式并非易事。人们设想过通过太阳能电解水的方法，但需要高温太阳炉将水或水蒸气加热到3000 K以上，水才开始分解，但分解水的加热温度很高，装置的具体结构设计困难，需要发展耐高温材料，成本太大。于是有人提出一种最经济、最理想的获得氢能源的循环体系，其过程类似于光合作用。在水中添加某种光敏物质做催化剂，增加水对长波光的吸收，利用光化学反应制氢，但急需研究的是光分解催化剂。再如，利用光合作用使生长快的小球藻等大量繁殖，小球藻含有丰富的脂肪和蛋白质，把藻类收集、晒干后可做燃料，这样贮存的是生物能。若让藻类发酵，生产沼气（主要成分是甲烷），可做气体燃料。

（二）风能

风能是太阳能的一种转换形式，地球接收到的太阳辐射能约有2%转化为风能（图6-2-5）。据估计，全球的风能总量有274万亿kW，其中可利用的约为200亿kW。这是一个巨大的潜在的能源宝库，是一种取之不尽、可再生、无污染、储量巨大但尚未得到大力开发利用的新能源。

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图6-2-5　风力发电原理示意图

目前，世界各国对风能的利用，主要是以风能做动力和发电两种形式。其中又以风力发电为主。1891年，丹麦建造了世界上第一座试验性的风能发电站。自此之后，一些欧洲国家如荷兰、法国等，纷纷开展风能发电的研究。截至2014年年底，世界风力发电总量居前三位的分别是德国、西班牙和美国，它们的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。以风能做动力就是利用风轮来直接带动各种机械系统的装置，如带动水泵提水。风力提水装置结构简单，易于维护和操纵。澳大利亚的许多牧场，都设有风力提水机。还有一些风力资源丰富的国家，还利用风力发动机铡草、磨面和加工饲料等。

我国地域辽阔，蕴藏着非常丰富的风能资源。据计算，全国风能资源总量约为每年16亿kW，其中可开发的约为每年1.6亿kW。我国东南沿海岛屿以及西北牧区、西南山区严重缺电，但风能资源较大，有着发展风力发电的优良条件。因此，在我国因地制宜地开发利用风能，不仅可以扩大能源，而且有助于解决边远地区用电需要，有着现实的重要意义。

（三）沼气

沼气是一种可燃气体，由于这种气体最早是在沼泽、池塘中发现的，所以称之为沼气（图6-2-6）。我们通常所说的沼气，并不是天然产生的，而是人工制取的，所以属于二次能源。早在1857年，德国化学家凯库勒就研究清楚了沼气的化学成分，但这个“出身低微”的气体能源，始终没有引起人们的重视。直到最近一二十年，随着人类对能源的需求不断增长，沼气才逐渐受到人们的注意。

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图6-2-6　沼气利用循环示意图

沼气的主要成分是甲烷（CH4）气体。通常，沼气中含有60%～70%的甲烷，30%～35%的二氧化碳，以及少量的氢气、氮气、硫化氢、一氧化碳、水蒸气和少量高级的碳氢化合物。近年来，在沼气中还发现有少量剧毒的磷化氢气体，这可能是沼气会使人中毒的原因之一。

甲烷气体的发热值较高，因而沼气的发热值也较高，所以说沼气是一种优质的人工气体燃料。甲烷在常温下是一种无色、无味、无毒的气体，它比空气要轻。由于甲烷在水中的溶解度很低，因而可用水封的容器来储存它。甲烷在燃烧时产生淡蓝色的火焰，并释放出大量的热。甲烷气体虽然无味，但由于沼气中掺杂有硫化氢气体，所以沼气常常带有一种臭蒜味或臭鸡蛋味。

生产沼气的原料丰富，来源广泛。人畜粪便、动植物遗体、工农业有机物废渣和废液等，在一定温度、湿度、酸度和缺氧的条件下，经厌氧性微生物的发酵作用，就能产生出沼气。沼气是一种可以不断再生、就地生产、就地消费、干净卫生、使用方便的新能源。目前，它可以代替汽油、柴油，开动内燃机发电，驱动农机具加工农副产品，也可以用来煮饭、照明。

我国广大农村有着丰富的沼气资源。据统计，如果将全国的农作物秸秆和人畜粪便的一半利用起来，就可年产沼气650亿m3，这就相当于1亿多吨的煤炭燃烧释放的热量。由此可见，沼气在我国未来农村能源建设中有着重要的作用，而在我国农村推广沼气的使用也是一件紧迫的事情。现在，世界上一些发达国家和能源短缺的发展中国家，如美国、德国、日本、法国、尼泊尔、菲律宾、印度等，都在积极开发和利用沼气。

（四）氢能

在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同质量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，不会污染环境；更为重要的是，氢主要存在于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气。

氢是一种无色的气体，燃烧1 g氢能释放出142 kJ的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻，因而携带与运送方便，是航天航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。

在自然界中，氢的分布很广泛。水是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以水的形式存在的，而地球表面约71%为水所覆盖，储水量很大；如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢将是一种价格相当便宜的能源。

氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢气做燃料的汽车；20世纪70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了5 kg氢，就使汽车行驶了110 km。氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用氢做燃料的。

开发利用氢能的主要难题是成本较高和贮存使用很不安全，一时还难以普遍使用。因此，积极探索研究新的制氢和贮存方法势在必行。

新能源开发利用：经济、理想的氢能源循环体系，光合作用类似

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