核心:高效的储能方法
我们知道,现在太阳能电池已经得到了很大发展,但其最大的问题是缺乏持续性——只有白天或者光照条件好的情况下才可以发电,到了晚上或阴雨天,不仅无法产生电力,那些在白天产生的电力也不能储存。也就是说,如果不能即时使用,就会浪费掉。
而“人工树叶”则有效地解决了这个问题。白天,将太阳能电池产生的电力通过电解水转化为氢气和氧气,作为化学能储存起来;晚上或阴雨天,又可以随时通过燃料电池将储存的化学能转化为电能。
或许很多人会问,为什么我们要通过这么复杂的一种方式储存太阳能电池所发出的电力呢,我们有非常成熟的电池或其他方式啊!事实上也确实有人在这么做。但问题的关键在于“人造树叶”有其他方式无法比拟的优势。
首先,“人造树叶”的储能效率非常高。举个例子,电池的能量密度只能达到约0.1-0.5MJ/kg,超级电容器仅为约0.01MJ/kg,而氢气的能量密度却高达140MJ/kg。通俗点说,同样质量的氢气储存的能量是电池的1400倍,是超级电容器的14000倍。利用氢气化学储能的优势是多么明显啊!其次,在这一过程中,所消耗掉的仅仅是水,因此也被形象地称为“水燃料”。事实上,即使是这些水在随后的放电过程中也会被再生出来,因此这一过程所需的仅仅是太阳光照而已。讲到这里,我想读者应该了解了:“人工树叶”并非一种新的获取能源的方式,其核心是一种高效的储存能源的方法。
未来:发展空间无限
在为这一发明兴奋的同时,我们还应该清醒地意识到,所谓的“人工树叶”其实还存在着较大的局限性。首先,“人工树叶”并未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能,它仅仅模仿了树叶中光系统II中的局部功能。其次,它的运行也要依赖太阳能电池和燃料电池来完成。再次,它还需要新型的廉价的压缩气体系统以储存所产生的氢气和氧气,然后用于发电。因此,要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走。
即便如此,我们仍然可以看到这一发明在未来发展的广阔前景。正如前面所讲,这一发明的核心在于将电能高效地以氢能的形式储存起来。因此,其电力的来源也将不会仅局限于太阳能电池,也可以是风能、地热能、核能,甚至化石燃料的化学能等。比如说,很多人参观风力发电厂时会奇怪为什么有些风机并不运转,这并不是因为我们有太多的电力了,而是因为电网无法承受这些多出来的电力。据报道,由于无处储存,仅在美国,去年一年就损失了25TWh的风机潜在电力。而这一发明无疑将为解决这个问题提供新的途径。
“人造树叶”还有很大的发展空间。也许在不远的将来,“人造树叶”也能兼具光系统Ⅰ的功能:通过合适的化学反应,让“人造树叶”吸收二氧化碳生成有机物。在如今地球已不堪重负的今天,将废弃有害的二氧化碳通过这种类似于光合作用的方式转化成对人类有用的有机物(如糖、醇类等),将是多么伟大的发明啊!(中国科学院过程工程所研究员 张光晋)