太阳能为近年来炙手可热的再生能源技术,除了能用太阳光电技术来发电,也可以采取聚光式太阳能来储热,而现在瑞典查尔摩斯工学院科学家研发出新型太阳能燃料,运用特殊液体储存太阳热能,保存时间甚至可长达 18 年,若研发有成将有助于完善离网地区的供暖系统。
这个概念听起来非常像是某种天方夜谭,但该研究可说是一种光蓄热技术,以化学键来储存太阳能或其他能源,最后再释放出热能,可长期且稳定的储存太阳能。
▲ 团队称该燃料为光蓄热分子技术(Molecular Solar Thermal Energy Storage)。(Source:查尔摩斯工学院)
瑞典查尔摩斯工学院研究指出,紫外光会让特殊燃料中的分子进入激发态,让燃料中的碳、氢与氮原子键重新排列,从化合物降冰片二烯(norbornadiene)转变成四环庚烷(quadricyclane),且由于化学键结构相当稳定,查尔摩斯工学院奈米材料化学教授 Kasper Moth-Poulsen 指出,这种同分异构物能量储存时间可长达 18 年。
该燃料也可以行可逆反应,Moth-Poulsen 指出,只要添入钴催化剂,四环庚烷就可以再变回降冰片二烯,燃料不仅可重复使用,转变过程也会释放出大量热量,将燃料温度提高 63 度。
假如在常温下转换燃料化学结构,温度会从 21°C 上升到 84°C,可应用在家用供暖、热水器或是烘干机。统计资料也显示,在欧盟能源消耗中,烹饪、杀菌、蒸馏或其他商用低温加热需求就占 7%,若采用该技术可节省部分能源成本。
新型光蓄热燃料的稳定性也相当高,Moth-Poulsen 表示,燃料性能在 125 次转换周期后也没有下降,研究计算更指出,燃料每公斤能储存 250Wh 能量,大概是特斯拉 Powerwall 电池的两倍。
只不过该技术进步空间还很大,除了提高燃料储存时间与能量密度之余,团队也希望能提升燃料的转换效率,不然目前燃料转换效率着实不高,只有对紫外线与波长较短的蓝光起反应,这些仅占总光谱的 5% 而已。
因此团队正努力提升燃料的光敏性,Moth-Poulsen 表示,未来也想要透过调整化学结构、让温度升幅提高到 80 度,并指出虽然该技术潜力庞大,但仍需要一段时间来发展。
2010 年麻省理工也开发出类似技术,可说是该领域的鼻祖,Jeffrey Grossman 教授致力于研发光蓄热电池与寻找可反复循环使用的材料,之后也透过含有偶氮苯与碳奈米管的化合物打造出太阳能燃料,其理论体积能量密度为传统材料的 3 万倍以上、高达每升 690Wh,温度更可突破 347℃ 。他认为该技术跟太阳能电池一样,只不过是将太阳能转换成热量并储存起来而已。
若这些技术将来成功踏出实验室,未来人们随时随地都可以利用太阳能燃料来收集热量,享有零碳、免插电的烹饪与供暖系统,相当适合用于离网偏乡地区。
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