利用“植物生長(zhǎng)”發(fā)電 荷蘭研發(fā)新技術(shù)點(diǎn)亮城市街燈
日期： 2015-04-30 來(lái)源：中國(guó)科技網(wǎng)
由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究人員成立的一家Plant-e公司研發(fā)出一種新技術(shù)，可從生長(zhǎng)的植物中不斷獲取電力，在夜晚點(diǎn)亮城市的LED街燈。目前該技術(shù)已在當(dāng)?shù)貎蓚€(gè)地方啟用。
這項(xiàng)利用植物發(fā)電的技術(shù)項(xiàng)目很適合應(yīng)用在城市建筑物和房屋的屋頂。據(jù)介紹，新技術(shù)基于自然的過(guò)程，從土壤中捕獲電子，依靠植物的持續(xù)成長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生電力。該方法使用過(guò)程中不會(huì)損傷植物，僅需光、二氧化碳和水。當(dāng)植物生長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生比其自身需要更多的糖，這些多余的糖會(huì)被周邊土壤回收和分解，釋放出質(zhì)子和電子。研究人員則將電極放置入土壤，從中捕獲電子發(fā)電。
據(jù)報(bào)道，日前海姆拉格市300多個(gè)LED燈完全由Plant-e公司稱(chēng)為“星空”的項(xiàng)目點(diǎn)亮。并且，植物電源也被用于該公司在荷蘭瓦赫寧根的總部。這兩個(gè)項(xiàng)目都使用到本地水生植物。
Plant-e公司的新技術(shù)裝備已經(jīng)可以用于現(xiàn)有的稻田，而各類(lèi)濕地更為適用。工程師可在濕地水平面以下放置管道，像泥炭沼澤、紅樹(shù)林、稻田或三角洲等均可如法炮制，進(jìn)行發(fā)電。
Plant-e公司于2009年由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的大衛(wèi)·斯特里克和馬基林·海爾德成立，是一家開(kāi)發(fā)潛在能源的公司，主要是做植物發(fā)電項(xiàng)目。
Plant-e公司的終極目標(biāo)是將該項(xiàng)目發(fā)展到世界各地。Plant-e公司創(chuàng)立者稱(chēng)：“希望總有一天，這項(xiàng)技術(shù)能夠?yàn)樨毨У貐^(qū)提供電力，而那里有著豐富的植物世界，如水稻或附近的濕地。如果能夠計(jì)算出如何以低成本的方式運(yùn)作，將意味著這一新的清潔能源給電力匱乏地區(qū)的人帶來(lái)福音，估計(jì)惠及占世界人口的近25%。”
解析“植物發(fā)電”技術(shù)
我們都知道，太陽(yáng)能電池是利用陽(yáng)光來(lái)發(fā)電，而植物也是用陽(yáng)光來(lái)為自己的生長(zhǎng)提供能量。目前，制約太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)模的重要因素是太陽(yáng)能電池板成本太高。那么，有沒(méi)有可能舍棄掉昂貴的電池板，而利用廉價(jià)的植物來(lái)作為太陽(yáng)能發(fā)電的載體?那就是利用植物來(lái)發(fā)電。
植物利用太陽(yáng)能發(fā)電的原理
植物進(jìn)行光合作用時(shí)，葉綠素不但能把水分解為氫和氧，而且還能把氫分解為帶電荷的氫離子和帶負(fù)電荷的電子。此時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)有電流產(chǎn)生，然后白白地消耗掉了。如果用人工的方法控制這個(gè)產(chǎn)生電流的過(guò)程，就可以積累植物中的電量，為人們提供生活和工業(yè)所需的用電。
幾年前，為了驗(yàn)證植物葉綠素發(fā)電的可行性，日本科學(xué)家進(jìn)行了一個(gè)特別的實(shí)驗(yàn)。研究人員把從菠菜葉內(nèi)提取的葉綠素與卵磷脂混合，涂在透明的氧化錫結(jié)晶片上，用它作為正極安置在“透明電池”中，當(dāng)它被太陽(yáng)光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。研究表明，用葉綠素制造的電池能把太陽(yáng)能的30%轉(zhuǎn)換成電能，而現(xiàn)有的多數(shù)太陽(yáng)能電池板僅能把10%～20%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。因此，研究人員認(rèn)為利用植物進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)該比太陽(yáng)能電池板發(fā)電的潛力更大。
活生生的生物光伏電池
研究人員把利用植物進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電的方式稱(chēng)作“生物光伏發(fā)電”，用這種方法制成的電池為“生物光伏電池”。然而，日本研究人員制造的生物光伏電池有一個(gè)很大的缺陷，那就是不能持久發(fā)電，因?yàn)橛糜谥圃祀姵氐娜~綠素與卵磷脂都是從植物中提取出來(lái)的大分子有機(jī)物，離開(kāi)植物的生存環(huán)境后很容易分解而失去吸收太陽(yáng)能的功效。
于是，英國(guó)劍橋大學(xué)的研究人員改進(jìn)了日本研究人員的發(fā)電技術(shù)。他們認(rèn)為利用活生生的植物也可以發(fā)電，并開(kāi)發(fā)出不少活的“生物光伏電池”。比如，研究人員在一些植物盆栽中設(shè)置一些電極，就可以及時(shí)搜集植物在進(jìn)行光合作用時(shí)產(chǎn)生的電量。根據(jù)目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，一盆直徑1米的蕨類(lèi)植物可以產(chǎn)生100瓦的電力，在陽(yáng)光燦爛的日子一天可以產(chǎn)生將近1度電。蕨類(lèi)植物對(duì)生長(zhǎng)所需的土壤肥力要求不高，管理起來(lái)十分方便，生長(zhǎng)也很迅速，比較適合用作發(fā)電。
主要用雜草和樹(shù)木發(fā)電
除了蕨類(lèi)植物外，研究人員更看好的是各種藻類(lèi)植物，因?yàn)樵孱?lèi)生長(zhǎng)和擴(kuò)張都很迅速，對(duì)環(huán)境的要求更低，各種水質(zhì)的水域都可以生長(zhǎng)藻類(lèi)，陰暗潮濕的地方也可以生長(zhǎng)藻類(lèi)。除了藻類(lèi)外，更加原始的苔蘚類(lèi)植物也是研究人員即將利用的對(duì)象。當(dāng)然，植物資源最豐富的森林是研究人員所認(rèn)為的“生物光伏”電能寶庫(kù)。他們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種電能桿，準(zhǔn)備從森林中的樹(shù)木中搜集電能。
我們知道，世界上的能量是守恒的。如果把植物光合作用的能量用于發(fā)電，必然會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。因此，在未來(lái)將主要用雜草和樹(shù)木來(lái)發(fā)電，不會(huì)用糧食作物、蔬菜和果樹(shù)來(lái)發(fā)電。和傳統(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電一樣，“生物光伏”發(fā)電也面臨著儲(chǔ)能的問(wèn)題。也就是說(shuō)，有陽(yáng)光照射的時(shí)候，電能會(huì)源源不斷地產(chǎn)生并需要及時(shí)消耗，而在夜晚沒(méi)有陽(yáng)光的時(shí)候則不會(huì)產(chǎn)生電能，需要用一些儲(chǔ)電設(shè)備來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
盡管利用植物進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)剛剛起步，研究人員卻對(duì)它的前景十分看好。植物發(fā)電不但效率高，而且十分便捷，可以當(dāng)?shù)匕l(fā)電當(dāng)?shù)厥褂茫恍枰獜?fù)雜的電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程輸電，尤其適合偏僻地區(qū)和災(zāi)區(qū)。劍橋大學(xué)的研究人員甚至認(rèn)為，在鄉(xiāng)村和旅游度假區(qū)，生物光伏電池將有可能逐步取代同樣是剛剛起步的太陽(yáng)能電池;在城市，居民可以利用陽(yáng)臺(tái)上、庭院中和家里的各種盆栽植物來(lái)發(fā)電，為家庭的電器提供電能。
植物發(fā)電廠前景看好
太陽(yáng)提供的熱能是地球上最豐富的能量來(lái)源，但是目前僅有一小部分的太陽(yáng)輻射被轉(zhuǎn)換為有用的能量。 為解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)佐治亞大學(xué)的研究者們從大自然中獲得靈感，目前正在研究一種可以通過(guò)使用植物發(fā)電的新技術(shù)。
“獲得清潔能源是本世紀(jì)人類(lèi)的需要。”佐治亞大學(xué)助理教授拉瑪沙米在《能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表相關(guān)文章表示：“這種方法有一天可能將改變我們的能力，即可使用以植物為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，利用陽(yáng)光產(chǎn)生清潔的電力。”
植物是使用太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)可爭(zhēng)議的冠軍。經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化，它們中的大部分在工作時(shí)能達(dá)到接近100%的量子效率，這意味著植物能捕獲陽(yáng)光中的每一個(gè)光子，從而產(chǎn)生數(shù)量相等的電子。甚至這一部分電子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎?，還將改善太陽(yáng)能電池板的效率。目前，電池板的運(yùn)行通常在12%至17%之間。
在光合作用中，植物利用陽(yáng)光把水分解成氫和氧原子，再產(chǎn)生電子。這些新釋放的電子幫助制造糖分，植物利用這些糖分支持自己的生長(zhǎng)和繁殖。
同時(shí)也是佐治亞大學(xué)納米科學(xué)與工程中心成員的拉瑪沙米說(shuō)：“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種中斷光合作用，在植物制造糖分之前捕捉電子的新方法。”
拉瑪沙米的技術(shù)涉及這一種在植物細(xì)胞中分離出的、被稱(chēng)為類(lèi)囊體的結(jié)構(gòu)，它負(fù)責(zé)捕獲和存儲(chǔ)太陽(yáng)能。研究人員利用包含在類(lèi)囊體中的蛋白，阻斷電子流的通道。
這些修改后的類(lèi)囊體，被固定在一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的、只有人頭發(fā)直徑五萬(wàn)分之一的圓柱形碳納米管中。這種碳納米管作為導(dǎo)電體，可以從植物中捕獲電子并通過(guò)導(dǎo)線發(fā)送。
在小規(guī)模的試驗(yàn)中，這種做法產(chǎn)生的最大電流密度比其他類(lèi)似實(shí)驗(yàn)的結(jié)果大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。但拉瑪沙米也指出，在該技術(shù)能夠達(dá)到商業(yè)化前還有很多工作要做，他和他的合作者正在致力于提高技術(shù)的穩(wěn)定性。
拉瑪沙米說(shuō)：“在短期內(nèi)，該技術(shù)可以用于只需要較少功率就能運(yùn)行的遠(yuǎn)程傳感器，或者其他便攜式電子設(shè)備。如果我們能通過(guò)基因工程技術(shù)提高植物光合作用的穩(wěn)定性，我非常希望這項(xiàng)新技術(shù)能在將來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中取代傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板。”
