植物進行光合作用時，葉綠素不但能把水分解為氫和氧，而且還能把氫分解為帶正電荷的氫離子和帶負(fù)電荷的電子。如果用人工的方法控制這個產(chǎn)生電流的過程，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。
荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究人員成立Plant-e公司研發(fā)出一種新技術(shù)，可從生長的植物中不斷獲取電力點亮LED燈。日前海姆拉格市300多個LED燈完全由Plant-e公司稱為“星空”的項目點亮。植物電源也被用于該公司在荷蘭瓦赫寧根的總部。這兩個項目都使用到本地水生植物。
荷蘭研發(fā)“植物發(fā)電”技術(shù)點亮城市LED路燈
據(jù)介紹，新技術(shù)基于自然的過程，從土壤中捕獲電子，依靠植物的持續(xù)成長過程產(chǎn)生電力。該方法使用過程中不會損傷植物，僅需光、二氧化碳和水。當(dāng)植物生長時，它們會產(chǎn)生比其自身需要更多的糖，這些多余的糖會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。這項技術(shù)很適合應(yīng)用在城市建筑物和房屋的屋頂。據(jù)報道，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、紅樹林、稻田或三角洲等均可如法炮制，進行發(fā)電。
Plant-e公司的終極目標(biāo)是將該項目發(fā)展到世界各地。Plant-e公司創(chuàng)立者稱：“希望總有一天，這項技術(shù)能夠為貧困地區(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。如果能夠計算出如何以低成本的方式運作，將意味著這一新的清潔能源給電力匱乏地區(qū)的人帶來福音，估計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，太陽能電池是利用陽光來發(fā)電，而植物也是用陽光來為自己的生長提供能量。目前，制約太陽能發(fā)電規(guī)模的重要因素是太陽能電池板成本太高。那么，有沒有可能舍棄掉昂貴的電池板，而利用廉價的植物來作為太陽能發(fā)電的載體?那就是利用植物來發(fā)電。
植物利用太陽能發(fā)電的原理
植物進行光合作用時，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，植物體內(nèi)會有電流產(chǎn)生，然后白白地消耗掉了。如果用人工的方法控制這個產(chǎn)生電流的過程，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，為了驗證植物葉綠素發(fā)電的可行性，日本科學(xué)家進行了一個特別的實驗。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)它被太陽光照射時，就會產(chǎn)生電流。研究表明，用葉綠素制造的電池能把太陽能的30%轉(zhuǎn)換成電能，而現(xiàn)有的多數(shù)太陽能電池板僅能把10%～20%的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｒ虼?，研究人員認(rèn)為利用植物進行太陽能發(fā)電應(yīng)該比太陽能電池板發(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行太陽能發(fā)電的方式稱作“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很大的缺陷，那就是不能持久發(fā)電，因為用于制造電池的葉綠素與卵磷脂都是從植物中提取出來的大分子有機物，離開植物的生存環(huán)境后很容易分解而失去吸收太陽能的功效。
于是，英國劍橋大學(xué)的研究人員改進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，就可以及時搜集植物在進行光合作用時產(chǎn)生的電量。根據(jù)目前進行的實驗，一盆直徑1米的蕨類植物可以產(chǎn)生100瓦的電力，在陽光燦爛的日子一天可以產(chǎn)生將近1度電。蕨類植物對生長所需的土壤肥力要求不高，管理起來十分方便，生長也很迅速，比較適合用作發(fā)電。
主要用雜草和樹木發(fā)電
除了蕨類植物外，研究人員更看好的是各種藻類植物，因為藻類生長和擴張都很迅速，對環(huán)境的要求更低，各種水質(zhì)的水域都可以生長藻類，陰暗潮濕的地方也可以生長藻類。除了藻類外，更加原始的苔蘚類植物也是研究人員即將利用的對象。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。他們已經(jīng)設(shè)計了一種電能桿，準(zhǔn)備從森林中的樹木中搜集電能。
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，必然會影響植物的生長。因此，在未來將主要用雜草和樹木來發(fā)電，不會用糧食作物、蔬菜和果樹來發(fā)電。和傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電一樣，“生物光伏”發(fā)電也面臨著儲能的問題。也就是說，有陽光照射的時候，電能會源源不斷地產(chǎn)生并需要及時消耗，而在夜晚沒有陽光的時候則不會產(chǎn)生電能，需要用一些儲電設(shè)備來解決這個問題。
盡管利用植物進行太陽能發(fā)電的技術(shù)剛剛起步，研究人員卻對它的前景十分看好。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?，不需要?fù)雜的電網(wǎng)進行遠(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能電池;在城市，居民可以利用陽臺上、庭院中和家里的各種盆栽植物來發(fā)電，為家庭的電器提供電能。
植物發(fā)電廠前景看好
太陽提供的熱能是地球上最豐富的能量來源，但是目前僅有一小部分的太陽輻射被轉(zhuǎn)換為有用的能量。為解決這個問題，美國佐治亞大學(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)人類的需要?！弊糁蝸喆髮W(xué)助理教授拉瑪沙米在《能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)報》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)，利用陽光產(chǎn)生清潔的電力?！?/p>
植物是使用太陽能發(fā)電無可爭議的冠軍。經(jīng)過數(shù)十億年的進化，它們中的大部分在工作時能達(dá)到接近100%的量子效率，這意味著植物能捕獲陽光中的每一個光子，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?，還將改善太陽能電池板的效率。目前，電池板的運行通常在12%至17%之間。
在光合作用中，植物利用陽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和繁殖。
同時也是佐治亞大學(xué)納米科學(xué)與工程中心成員的拉瑪沙米說：“我們已經(jīng)開發(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?！?/p>
拉瑪沙米的技術(shù)涉及這一種在植物細(xì)胞中分離出的、被稱為類囊體的結(jié)構(gòu)，它負(fù)責(zé)捕獲和存儲太陽能。研究人員利用包含在類囊體中的蛋白，阻斷電子流的通道。
這些修改后的類囊體，被固定在一個專門設(shè)計的、只有人頭發(fā)直徑五萬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導(dǎo)線發(fā)送。
在小規(guī)模的試驗中，這種做法產(chǎn)生的最大電流密度比其他類似實驗的結(jié)果大兩個數(shù)量級。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：“在短期內(nèi)，該技術(shù)可以用于只需要較少功率就能運行的遠(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，我非常希望這項新技術(shù)能在將來的競爭中取代傳統(tǒng)的太陽能電池板?！?/p>
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