導讀
據瑞士洛桑聯邦理工學院官網近日報道，該校研究人員以低成本的方式在給定區域聚集太陽輻射以生成大量氫氣。他們開發出的系統能以17%轉化率以及前所未有的功率和電流密度，將太陽能轉化為氫氣。背景
傳統的礦物燃料例如石油和煤，都屬於不可再生資源，經過億萬年才能形成，短期內無法恢復。隨著大規模的開發利用，其儲量會越來越少，最終面臨枯竭。此外，礦物燃料燃燒後會產生大量有害氣體和溫室氣體，不僅會汙染環境，還會造成溫室效應。
為了減少對於礦物燃料的依賴，人類正在探索各種新能源，例如太陽能、水能、風能、生物質能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能、地熱能等。它們可循環再生，取之不盡，用之不竭，而且清潔環保。
太陽能發電裝置（圖片來源：維基百科）
利用海浪發電的渦輪機（圖片來源：OIST）
此外，氫氣也被認為是一種非常重要的新一代清潔能源。氫氣燃燒的產物是水，不會對環境造成任何汙染。同時，氫氣燃燒的熱值高居各種燃料之冠，據測定，每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J，為石油熱值的3倍多。氫氣可通過風能或者太陽能電解水的方式持續生產。生產出的氫氣可存儲起來，用於氫燃料電池汽車或者根據需要轉化為電力。
但是對於研究人員來說，讓氫氣在大規模應用時變得可靠且便宜，是一項極具挑戰性的任務。高效的太陽能制氫需要稀有且昂貴的材料（無論是對太陽能電池還是催化劑來說），來採集能量然後再轉化這些能量。
創新
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院可再生能源科學與工程（LRESE）實驗室的科學家們提出一個想法：以低成本的方式在給定區域聚集太陽輻射以生成大量氫氣。他們開發出一種改進的光電化學系統，使用時結合聚集的太陽光以及智能熱管理系統，能以17%轉化率以及前所未有的功率和電流密度，將太陽能轉化為氫氣。此外，他們的技術穩定，並可以應對日常太陽輻射的隨機動態變化。前不久，他們的研究成果發表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上。
（圖片來源： Marc Delachaux / EPFL）
技術
論文合著者之一的 Saurabh Tembhurne 表示：“在我們的設備中，一薄層的水用於冷卻太陽能電池。系統的溫度保持相對較低，使太陽能電池可以表現出更好的性能。”
LRESE 的研究員 Fredy Nandjou 補充道：“與此同時，水獲得的熱量轉移至催化劑，從而改善化學反應並提升氫氣的生產率。”因此，在轉換過程的每一步中，氫氣的生產都得到了優化。
科學家們採用 LRESE 獨特的太陽光模擬器，來演示他們設備的穩定性能。實驗室級的演示成果讓人感到非常有前景。設備一直在升級，現在已經在 EPFL 洛桑校區進行戶外測試。研究團隊安裝了一個直徑為7米的拋物面反射鏡，它能千倍地聚焦太陽輻射並驅動設備。首個測試正在進行中。
研究人員利用開放的接口去監測系統的瞬間性能。作為他們研究的一部分，科學家們也進行了技術和經濟可行性研究，並開發了一個稱為“SPECDO（太陽能光電化學設備優化）”的開源軟件項目。這個項目可以幫助工程師們設計低成本的光電化學系統組件，利用太陽能制氫。此外，他們還提供了一個稱為“SPECDC（太陽能光電化學設備對比）”的動態基準測試工具，用於對比和評估所有的光電化學系統示例。
價值
科學家們經過評估認為，他們的系統可運行超過3萬小時，約4年，無需更換任何部件。如果更換某些部件的話，該系統可以運行達20年。他們的太陽能聚光器可以旋轉並追蹤天空中的太陽，從而保持產出最大化。
LRESE 領頭人以及該項目負責人 Sophia Haussener 解釋道：“在晴天，我們的系統每天可以產生1千克氫氣，這些氫氣足夠一輛氫動力汽車行駛100千米到150千米。”
對於分佈式、大規模的氫氣生產來說，幾個聚光器系統可以結合到一起，在化工廠生產氫氣，或者為氫氣站生產氫氣。Tembhurne 和 Haussener 正在計劃通過一個稱為“SoHHytec”的衍生公司，讓他們的技術從實驗室走向工業生產。
關鍵字
太陽能、氫氣、開源軟件、新能源
【1】Tembhurne, Nandjou and Haussener. A thermally synergistic photo-electrochemical hydrogen generator operating under concentrated solar irradiation. Nature Energy, 2019 DOI: 10.1038/s41560-019-0373-7
【2】https://actu.epfl.ch/news/record-solar-hydrogen-production-with-concentrated/
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