能源危机中的希望

能源危机中的希望

能源危机是当今世界普遍存在的问题，当今世界人口从1900年的16亿增加到目前约60亿，净增加了约2倍多，而能源消费据统计却增加了16倍多。人类使用的能源主要来自于石油、煤和天然气。按照目前的消耗水平估算，21世纪初人类将面临能源危机的威胁。

与此同时，由于大量使用碳氢化石燃料，环境污染日益严重。光化学烟雾、酸雨等公害接踵而至，生态平衡惨遭破坏，危机红灯频繁闪烁，传统的能源体系已难以适应人类生存发展的需要，加紧开发低污染乃至无污染的绿色新能源已迫在眉睫，目前这已成为各国的重要任务，在完成这一任务的过程中，化学将发挥巨大的作用。

在能源危机面前，经过科学家们的不懈努力，曙光初露，新能源技术的发展方兴未艾，引人瞩目。太阳能和氢能等新能源的竞相开发利用，为人类的生存展示了充满希望的美好前景。

为了解决能源危机，各国都把目光放到了太阳能上。

我们都知道地球是太阳系的一员，正是太阳给了地球光和热，如果没有太阳，恐怕地球就不会有生命了。太阳称得上是我们地球上生命的母亲了。其实太阳是一个硕大无比的热源火球。虽然太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×10²⁶瓦)的22亿分之一，然而一年内“恩赐”给地球的能量，相当于地球上石油蕴藏能量的100倍以上。全世界一年的总能耗量，对于太阳来说只是30分钟的“举手之劳”。据科学家估计，太阳的寿命至少还有100多亿年，因此，对人类来说，太阳是一个取之不尽，用之不竭的能源宝库。

在新能源开发中，利用太阳能电池作能量转换器把太阳光直接转换为电能，以其结构简单、无噪声、无振动、无污染的优点而引人瞩目。因此，太阳能电池的研究得到世界各国的普遍重视。

如今太阳能电池已经进入了实用阶段，家用太阳能热水器就是利用太阳能电池发电来获取热量的。在研究开发太阳能电池过程中，寻找合适的半导体材料是关键。目前使用的太阳能电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池等。这些太阳能电池常被作为手表、收音机、灯塔、边防哨所的电源，还用于汽车、飞机、人造卫星和飞船上的电源。

世界上第一台实用型的单晶硅电池是1954年在美国贝尔实验室诞生的，由于这种电池性能稳定、寿命长、体积小、重量轻，很适合作航天器上的电源。1958年，美国的“先锋1号”人造卫星首先使用了硅电池，使人造卫星电源可以安全工作达20年之久，从而取代了只能连续工作几天的化学电池，为航天事业的发展提供了一种重要的能源动力。迄今，美国发射的近千颗人造卫星中，有95%都采用硅电池。我国在1971年发射的第二颗人造卫星“实践1号”上开始使用硅电池。

单晶硅的生产工艺复杂、耗能多、成本高。多晶硅电池的效率虽然较差，但比单晶硅易于制造。上述两种材料都有一定的局限性，不利于大规模付诸实用。因此，各国又把希望转向比较廉价的非晶硅薄膜材料(制造成本仅为单晶硅的1/100左右)。

1976年用非晶硅薄膜技术制备的太阳能电池的问世，曾被视为电子工业的一大奇迹，它为太阳能电池制造成本的大幅度下降开辟了一条希望之路，但美中不足的是光电转换效率较低。但据报道，经过科学家的不懈努力，到1991年时，非晶硅的光电转换效率已由最初的4%提高到了12%。专家们预测，转换效率为15%以上的大面积、大功率非晶硅电池的开发，将成为太阳能电池的主流材料。

近年来，太阳能电池的开发应用正逐步走向产业化、商业化。随着太阳能自行车、汽车、游艇、飞机的相继面世，人们越来越相信有可能成为化石燃料的重要替代能源而雄踞于陆、水、空运事业中。

人们还尝试用太阳能电池来建设发电厂，实现大规模发电。1996年，在日本冲绳县的宫古岛上，输出功率为750千瓦的太阳能电池发电厂正式投入运行。为此，1996年前后，佳能、三洋、松下等公司相继推出了一体化太阳能电池薄膜住宅屋面材料，其中，松下公司产品的光电转换效率已达到15.2%。日本通产省计划以高效率，低成本为目标，争取在21世纪使太阳能电池发电成本与常规发电成本相当。目前，世界上最大的硅太阳能电池发电厂坐落在美国加利福尼亚州，它将100多万个硅电池安装于108个帆板阵列上，自动跟踪太阳，最大发电容量达1000千瓦。

太阳能汽车是节能科技的典范

太阳能电池的应用常常会受到地域和气候限制。虽然太阳“恩赐”给地球的总能量是惊人的，但能量密度比较稀薄，即便在炎炎夏日也仅为每平方米1千瓦，因此，遇到夜间、雨天等恶劣环境，太阳能电池便束手无策了。为了解决这一难题，通常是未雨绸缪，将白天多余的电量储存于蓄电池中备用。

1983年，美国提出了一项大胆的计划，要在距地球3.58万千米的同步轨道上，建立一个重以万吨的巨型同步卫星太阳能电站。这个太空电站上面设有永远朝着太阳最强光的太阳能电池阵列，将太阳能转变成电能，再用微波发生器将电能转变成微波，然后以集束形式把微波发射到地面接收站，最后由地面接收站再把微波转换成电能。

据计算，一座8000万千瓦的太空电站的太阳能电池阵列面积就有64平方千米，要装配几百亿个电池片，把微波发往地球的天线也要有2.6平方千米。地面上还要装有一个92.1平方千米的巨大接收整流天线。这真是一个浩大的跨世纪系统工程!

随着相关高新技术的发展，太阳能的开发利用将日臻完善。例如，以超导材料制成大容量太阳能蓄电装置，实现长时间、无损耗地大量贮能等。21世纪将是太阳能大显身手的新时代。

除了太阳能以外，另一种清洁能源——氢能也备受政府门和工厂企业的关注，科学家对氢能也非常感兴趣。

很久以前，法国科幻作家凡尔纳曾说:“总有一天水会被用作燃料。”当时，人们并不相信他的话。然而，随着时间的推移，科技的进步，凡尔纳的科学预言已经有希望变成现实了。

人类可以大规模地用水制氢，让氢能提供无穷无尽的光和热。

在众多的新能源中，氢能以其重量轻、热值高、无污染、应用广等优势而“独占鳌头”。人类在氢能的研究应用领域不断取得的成功，为21世纪的世界能源描绘出了一幅诱人的前景。

氢的原子序数为1，在周期表中排名第一，重量最轻。小时候我们都喜欢让爸爸妈妈给买五颜六色的氢气球，氢气球就是利用了氢的这种特性，氢气比空气要轻，灌满了氢气的气球就可以高高地飘起来了。氢的沸点为零下252.8℃，常温常压下为气态。氢易燃烧，燃烧时反应速度快，热值高，每千克可高达6900千焦，约为汽油的3倍，也就是说，获得同样的热值，所需氢的重量仅为汽油的1/3。氢的原料是水。地球表面约有71%为水覆盖，储水量约为2.1×10²¹吨。氢燃烧的产物是水，不会污染环境，是最干净的燃料。生成的水又可以分解制氢，这种燃烧和再生的循环往复，使氢能成为一种资源丰富，洁净优质的理想资源。

要使氢能成为广泛使用的能源，首先要获得廉价易行的制氢技术。

目前工业上制氢的方法主要是水煤气法和电解水法，由于这两种方法耗能大，且前者依然离不开化石燃料，所以说不上是有前途的制氢技术。目前最有前途的制氢方法被认为是太阳光分解水制氢(简称光解水)。

一是光电化学电池分解水制氢法。其原理是，在催化剂存在时，吸收太阳光辐射使水分解为氢气和氧气。

植物的光合作用是在叶绿素上进行的。1968年，科学家发现了“叶绿素脂双层膜”的光电效应，从而证明了光合作用过程的半导体电化学机理。受此启发，将二氧化钛(TiO₂)晶体电极和铂黑(Pt)电极浸在水中，组成光电化学电池。当太阳光辐射半导体材料二氧化钛表面时，因光电效应产生的电流将水分解，释放出氢气。这一方法是由日本科学家本多等人于1972年发现的。但二氧化钛只能吸收太阳光中紫外和近紫外部分，所以能量转换率还不到1%。近年来，研制成功用钛酸锡晶体及氧化钨晶体作阳极，效率分别达到20%和40%。由此可见，选择高效型的电极材料是提高转换率的关键。

二是生物制氢。生物制氢的原理是，模拟叶绿素植物的光合作用，并使光合作用仅仅停留在分解水的阶段。美、英、俄等国科学家先后发明了叶绿体制氢装置。在实验室中用1克叶绿素，1小时可产生出1立方分米氢气，并且能量转换率高达75%。

近年来，人们还发现江河湖海里的藻类低等植物，有些也具有以水制氢的能力。如美国科学家加弗隆发现一种蓝绿色的藻类，其光合作用非常特殊，不是像一般植物那样，把二氧化碳转变为氧气，而是通过光和菌的作用把水转变为氢气。迄今，人们已找到了一些具有类似功能的微生物，如小球藻、固氮蓝藻等。

日本通产省自1991年起实施了为期8年的高效制氢的国际研究开发计划，重点是研究制氢的光合细菌和藻类，并发现其生产机理，以便在工业上能够得到利用。

氢要作为一种常规能源，不单单需要解决廉价的制氢技术问题，更重要的是还需攻克安全、方便的储存和运输等方面的难题。

液氢、气氢的密度小，不利于储存。在15兆帕压力下，40立方分米钢瓶中只能装0.5千克氢气。将气氢压缩为液氢，耗能差不多相当于其燃烧能的1/3～1/4，不仅耗能高，而且不安全。难怪当年装液氢的贮罐车首次出现在美国公路上时，红色“保驾”吉普车，前呼后拥，如临大敌。因此，对于一种广泛使用的燃料来说，必须寻找一种更为理想、安全、方便的贮运方法。

对于储氢的方法科学进行了各种尝试，金属贮氢法成为一种很有希望的方法。

说起来可能有点奇怪，固体的金属，又不是容器，怎么能够装下气体呢?原来，某些金属或合金，因为它们表面的催化或活性作用，能将氢气分子分解成氢原子而进入金属点阵内部，形成金属氢化物，这一现象是20世纪60年代末由美国科学家首次发现的。目前，世界上已研究成功多种储氢合金。储氢合金的贮氢好比是海绵吸水。金属与氢反应是个可逆过程，在一定温度、压力条件下能大量吸收并可逆地释放氢气。例如，镧镍合金能吸收氢气形成金属氢化物，这是一个放热反应。

利用储氢合金储氢，只要稍稍加热，氢气就会从合金中冒出来。这种吸氢和放氢可相当长期地反复进行。在这种储氢合金中，储氢量可高达88千克/立方米，高于液氢的70.6千克/立方米。目前，最有实用价值的是镧镍合金和铁钛合金。每千克镧镍合金能储氢153升为本身体积的1000倍以上，而每千克铁钛合金的储氢量要比前者大四倍，且价格也低。性能优异的储氢材料的研制，开辟了氢的储存和运输的新途径，展现了广阔应用的前景。

如今氢能已经进入了人们的生产生活领域，并且初步显示出了其优越的性能。

20世纪初，星际航行学的奠基人俄国齐奥尔科夫斯基就预言过:“氢是将来喷气发动机的燃料。”氢燃料重量轻，1升液氢只有70克，而能量密度却是普通汽油的3倍，用于航天、航空等高速运输工具，可以使载重与自重比成倍地提高。氢作为航天动力燃料，可追溯到1960年，液氢首次成为太空火箭的燃料，而后美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的远载火箭燃料也是液氢。此后，氢成了航天飞机起飞时必不可少的动力燃料，美、俄等航天大国还将氢氧燃料电池作为空间轨道站的电源而广泛应用。

1989年4月，苏联一架运输客机改装的氢燃料实验飞机试飞成功，为人类应用氢能源迈出了可喜的一步。

在汽车应用方面，氢能源利用成就尤为显著。美、德、日等国在氢能和储氢合金利用方面已接近实用化了。1979～1983年德国奔驰公司以氢作燃料在柏林和斯图加特进行了小客车和货车的行车实验。据报道，只要带上储氢量为5千克的280千克铁钛合金氢化物，就能行使110千米。日本马自达公司推出的氢能汽车，速度可达125千米/小时;1980年我国也研制成功了第一辆氢能汽车;1996年日本丰田汽车公司推出了燃料电池汽车，作为燃料的氢气由钛系储氢合金提供，最高速度在100千米/小时以上，一次贮氢可持续行驶250千米以上。

1990年夏，德国巴伐利亚电力公司在纽伦堡以东的诺因堡地区建造了一座实验性500千瓦级的太阳能制氢发电厂。它使用2万平方米太阳能电池板电解制氢，年产汽车用氢燃料5万立方米。不少国家都在加强氢能的开发和应用研究，并制订了相应的发展计划。

目前的许多工作还处于试验研究阶段，制氢技术还有待提高，储运手段尚需改善。因此，专家们估计，氢能的大规模实用化还需要20年以上。然而，无论从地球资源和生产技术，还是从环境保护的角度来看，可以相信，再过几十年，洁净优质的氢能将成为世界能源舞台上的一个出类拔萃的新秀而大放异彩。

总的看来，在未来人类虽然会受到能源危机的困扰，但是利用我们人类的聪明才智，不断探索新的能源，人类完全可以克服能源危机这个困难，向着更加美好的未来前进。