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光液技术细节之二:以史为鉴

导读: 与光液相关的技术历史,从发展的动力、过程及目前的结果分析接下来光液技术会往哪个方向发展。

光液技术细节之二  以史为鉴

摘要:(1)简短回顾跟光液技术相关的历史、及相关技术发展历程。

(2)与光液相关的技术历史,从发展的动力、过程及目前的结果分析接下来光液技术会往哪个方向发展。

(3)根据分析设计出一个具有使用价值的,最小光液系统。并分析该系统的性能

关键词:太阳能;历史;光液;发电;光液。

引言

前事不忘后事之师,这个思想在技术发展上尤为重要。

光液的技术归结于太阳能的利用,太阳能的利用始于人类学会钻木取火,第一次主观能动地利用了太阳能。目前人类除了核能、地热这两类能源外的所有能源利用方式,都是在利用太阳能。明白这样一个道理。那就以光液技术有没有可能会成为利用太阳能的主要形式为辩题。

1 太阳能利用形式

1.1 太阳能利用的形式及开始时间

1.1.1 火、聚光、风

火的使用是使用了燃料里存储的太阳能,原始人类从自然天火的利用得到了好处。进而学会了主动获得和保留火源。这一时代可能早于石器时代。智人及人类文明,也可以使用是否主动获得火作为评判标准。在智人或人类文明出现后的百万年里,智人或人类文明进步非常缓慢。直到数千年前,人类有了文字记载。人类利用太阳能的最佳方式仍然是火。

远在8000多年前,埃及尼罗河流域就出现了以芦草为船体加上简陋的帆制成的帆船,这可以说是现代帆船之祖。最早的帆船竞技记载是公元前1世纪古罗马诗人维吉尔在叙事诗《伊尼特》中详细地描述了特洛伊到意大利的一次帆船竞赛活动,并描述了比赛结束后优胜者和参加者的获奖情况。

帆船的出现是太阳能里的革命性标志,让人类走得更远。直到哥伦布发现新大陆,风能仍是人类旅行的第一大动力源。

最晚于公元前700年,古埃及人与美索不达米亚人便开始磨制与使用透镜,这是太阳能利用的又一次质的飞跃。

1.1.2 煤炭、水力水电

人类何时开始使用煤炭无法追溯,但大规模使用煤炭是在工业革命开始后,人类使用大量的煤炭。煤炭发电可追溯到蒸汽机出现后的规模发电。在1831年8月29日,法拉第使机械力转变为电力。两个月后,试制了能产生稳恒电流的第一台真正的发电机。标志着人类从蒸汽时代进入了电气时代。煤电不久也随之产生了。

人类何时开始水力利用也无法追溯。东汉桓谭(公元前23年—公元56年)在《桓子新论》中最早用文字记载了人类对水力的应用:“宓羲之制杵臼,万民以济,及后人加巧因延力,借身重以践碓,而利十倍杵臼。又复设机关,用驴嬴牛马及役水而舂,其利乃且百倍。”

而水电的历史可追溯到1878年,世界上第一个水力发电项目点亮了英格兰诺森伯兰乡村小屋的一盏灯。

煤炭和水力,直到今天仍然是人类利用太阳能的主要形式。而这个历史不到300年。

1.1.3 石油天然气、光热光伏

从3000多年前周代算起,《易经》中有“上火下泽”、“泽中有火”等。这是人类发现并利用天然气使用的最早记载。石油天然气的规模利用始于十九世纪末、二十世纪初有了飞速的发展。甚至可以这样说第一、二次世界大战是由石油天然气引起的。如果只是使用煤炭、水力。人类没有办法投入这么多的战争资源。

公元50年,罗马人开始在窗户上安装玻璃,通过我们今天所谓的温室效应把热能更多更长久地留在室内,既用于供暖,也用于产出水果和蔬菜。这是人类早期利用光热的记载。

1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应,开启了人类太阳能利用的量子时代。

随着页岩气的经济竞争力增加、中国带动太阳能光伏产业的发展。可以预计2030年后,天然气、光伏发电。会是太阳能利用的有效方式。

2 太阳能利用的决定因素

太阳能的利用历史漫长而又缓慢,几乎是每个利用方式的转变或出现都伴随了人类文明及人本身的改变。这一现象用历史的辩证思维来看,人类的未来也继续延续这规律。那么天然气、光伏就会是人类太阳能利用的最终形式了吗?

下面从效率、能量密度、使用场景和经济价值角度来讨论。(本文为科普性质文章,非专业学术论文,故所有数据不去论证)

2.1 效率和密度

太阳能利用的效率是指太阳能有效投射到地面。经过转换、最终变成有效为人类服务的能源。火的利用,太阳能转为生物质的转换效率约为0~3%,最有效的是甘蔗一类植物。生物质的生产、收集和运送会耗费很大一部分能量。最终利用效率会低于3%。而化石能源归结于生物质能源的一种,只是利用了亿万年的时间累积富集的太阳能。

太阳能光热利用,光热转换热能0~80%。其服务人类的形式非常多。如用来取暖,效率会非常高。而用来发电效率会在0~29%。转为化学能,根据不同的太阳能制氢,重整甲烷,生产甲醇,重整甲醇等等的研究。最高转换效率为75%。

太阳能光伏的利用转换效率0~45%。

太阳能投射到地球的能量密度是一定的在。在地球表面能量密度是1.33KW/M2。

而电的能量密度是有电的载体决定的,储电量最高的商品化电-电池是0.4KWh/KG(非化学电池)。电能是所有服务人类里最好的能源方式。光伏转换效率高、传送方便,但电的能量载体能量密度不高。即便光伏发电成本降低,储能也会限制其应用。

有光合作用的产生的生物质、或其他方式转为化学能的能量密度炭、氢气、甲烷和甲醇理论净热值9.17KWH/KG、39.72KWH/KG、15.56KWH/KG、6.39KWH/KG。这些能量是可存储的。而气态不方便储存使用,固态不方便输送。甲醇会是最好的利用方式。

而光转换成炭、氢气、甲烷和甲醇的效率有如何呢?会比光伏效率高吗?如果高于光伏。那么甲醇是具备与光伏竞争的条件。

2.2 使用场景

太阳能的使用场景很多,不赘述。简单比较一下电能、甲醇两种方式的应用场景。

电能的应用几乎无处不在,方便,直接。甲醇的应用现在几乎很少很少。这并不代表甲醇没有竞争力。比如,在汽车上的应用于。如果电储能密度很高,达到甲醇的十分之一。那么甲醇都能胜出。因为甲醇转电能在30%以上。也就是说如果从太阳能到电能、甲醇的转换效率相同。那么甲醇仍能从竞争中胜出。

另外一个是热利用,如果电直接换热能,电能通过电力线路输送,甲醇通过管道输送。在二者价格一样的情况下。人们可能会选择甲醇来做饭,甲醇作为工厂里的某些加热源。而不是电能。

也就是说甲醇和电能能够形成互补。前提是经济上、太阳能转换效率上甲醇和电能相当。

2.3 经济价值及对人的影响

经济价值上甲醇、电能的计算太过于复杂。也无法计算。从存在就是合理的角度来判断到底太阳能利用是甲醇占优还是电能占优?可以这样思考,目前的石油、天然气、煤炭为什么能成为主要的能源。这是经过时间累积、大自然富集的太阳能。如果我们将这个时间累积压缩成1年,富集范围扩大一万倍。转换效率提高。那么得到的甲醇。就是如现在的化石能源一样占优。基于这一判断。我认为甲醇很有可能延续化石能源的优势,在光伏时代继续发挥能源的作用。

对人的影响而言,甲醇、光伏、核电、地热这四个能源都会带来一些问题。如光伏制造过程会有一些污染、储能问题,核电会有致命的危险。但甲醇生产的光液技术有一些优势是其他没有的。那就是零污染,解决污染。其他的能源有的如输送方便、能量密度、技术实现难易程度等光液技术都具备。

3 微小型光液系统

这样一个系统过于复杂。要设计完整和计算清楚是一个很艰辛的过程。我目前在设计一个聚光面积400平米。利用沼气,沼渣碳化日生产100KG的甲醇的系统。(在数月之后会公布)

让我们先看一下日本某个机构的研究成果。原来光液技术已经存在数十年之久。但没有发展起来。就如同光伏已经存在上百年,当然类似光液技术的最基本原理并非日本某个人发明发现的。任何一个理科的高中毕业生都能够发明这样的一种方法。

下面图片来自DOI: 10.1016/j.energy.2004.08.021  《Development of Green-fuel Production Technology by Combination of Fossil Fuel and Renewable Energy》作者
KATAYAMA,Yukuo。

这个技术至今没有工程应用实例。说明经济上不可行,效率上不可行。

光液技术细节之二:以史为鉴

图 1 光热系统能量转效率

从这个图示看,光热提供了7.6%的能量,而电解电能提供了43.4%的能。转换为氢气为38.5%的能量。经过简单思考、知道从事这些研究的人员的不知道那个产出更有效率和更有价值导致了这个设计的失败。

开采出甲烷,煤炭。能力密度更高。为什么还去转换成甲醇?

太阳能光热发电,电能更有效服务人类。为什么还去电解氢生产甲醇?

今天才看到这个文章的。经过这样的对比之后得微小型光液系统是可行。因为微小型光液系统太阳能利用效率比这个系统高。当然,具体还是需要计算和实践才能得到数据。

4 结论

所以呢,光液技术是值得研究和实践的。

作者:梁云

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