太陽能的光熱利用被人們廣為熟知，當人們還在苦苦掙扎于如何提高太陽能光熱的轉換率時，美國杜克大學的人員在太陽能制氫上又邁出重要一步。杜克大學最新研發的是一種可鋪設在屋頂的太陽能制氫系統。

太陽能制氫系統轉化率突出

杜克大學工程師霍茨表示，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。新技術從效能上明顯高出現有技術，且制成的氫能沒有雜質。所產生的氫能可以儲存起來，同時也可以為燃料電池提高能量，這更好地發揮了太陽能的用途。

霍茨將新系統與太陽能電解水制氫系統和光催化制氫系統的火用（指定狀態下所給定能量中有可能做出有用功的部分）效率進行了對比。結果顯示，新技術的能效指數在夏天為28.5%，冬天為18.5%，而傳統設備的能效夏天為5%-15%，冬天為2.5%-5%。太陽能電解水制氫系統能將太陽能直接轉化為電流，然后電能將水電解為氫和氧氣。光催化制氫系統的制氫過程與霍茨的系統類似，雖然更為簡單，但是目前看來并不成熟。這些系統所產生的氫能隨后被儲存在不同的電池中，目前來看，鋰電池的儲能性最佳。

據悉，今年在華盛頓舉行的美國機械工程師學會可持續燃料電池會上，霍茨此篇論文被評定為最佳論文。在完成加州大學伯克利分校的博士學位后，霍茨加入了杜克大學的教師團隊，他在伯克利分校研究此項新系統。目前，霍茨正在杜克大學組織一項實驗，以測試理論效能能否真正實現。據悉，霍茨的比較將集中在7月和2月進行，以測試系統在不同季節的表現。

夏季發電綽綽有余

正如其他太陽能系統，這個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。從遠處看，這個裝置很像傳統的太陽能光熱收集器，事實上，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，因為我們要讓真空管的溫度最終達到200攝氏度。而傳統的太陽能收集器只能將熱水加溫到60攝氏度至70攝氏度。”隨著溫度的上升并加入少量催化劑，氫氣隨之產生，效能很高。氫氣隨后可以轉向燃料電池為建筑提供電力，或者通過壓縮儲存到容器中供以后使用。

霍茨表示：“我們進行了成本分析，發現混合的太陽能-甲烷系統是最為便宜的解決方案，如果要達到夏天的要求，其總安裝造價為7900美元，雖然這比傳統的化石燃料驅動的發電裝置貴不少。”

據悉，成本和能效因為地點不同而有很大差異，系統的成本和效率會因安裝位置的不同而有所區別。在陽光充沛地區的屋頂鋪設這種太陽能裝置，大體上能滿足整個建筑在冬季的生活用電需求，而夏季產生的電力甚至還能出現富余。這時業主可以考慮關閉部分制氫系統或者將多余的電力出售給電網。“對于邊遠地區，這是個值得考慮的項目，因為邊遠地區可能不容易獲得傳統能源，或者說造價比較高。”霍茨提到。據悉，目前霍茨的研究正得到瑞士國家科學基金會的支持，同時還有其他學校的一些教授對此也表示支持。

傳統太陽能制氫技術一覽

太陽能制氫技術主要包括光催化制氫系統、太陽能電解水制氫、太陽能熱水學循環制氫、太陽能熱分解水制氫等方式。各種技術側重點不同，效能也不一。

光催化劑是指接受光線照射就能促進化學反應，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。日本東京大學教授堂免一成等研究人員在最新一期英國《自然》雜志上報告說，他們在氮化鎵和氧化鋅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水的分解反應。而且，實驗顯示，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用較廣且比較成熟的方法，但耗電大，用常規電制氫，從能量利用而言得不償失。所以，只有當太陽能發電的成本大幅度下降后，才能實現大規模電解水制氫。太陽能熱化學循環制氫：為了降低太陽能直接熱分解水制氫要求的高溫，發展了一種熱化學循環制氫方法，即在水中加入一種或幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經歷不同的反應階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物不消耗，可循環使用。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》