曾令倫

(阿壩縣人民武裝部 四川 阿壩 624600)

能源是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的基本驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)；能源發(fā)展，是當(dāng)今世界共同關(guān)心的話題.隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，世界各國(guó)能源需求不斷增加，但當(dāng)前世界能源消費(fèi)仍以化石燃料等常規(guī)能源為主，人類面臨的能源危機(jī)日趨嚴(yán)重[1].加大可再生能源的研發(fā)利用和發(fā)展新能源，是緩解能源危機(jī)的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略.模擬人工光合作用，實(shí)現(xiàn)糧食工業(yè)化生成，擺脫對(duì)地球環(huán)境和天氣的依賴，是人類千百年來夢(mèng)寐以求的理想.本文就是圍繞實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，研制一種熱電氣體發(fā)電及化工合成裝置，集發(fā)電、產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、產(chǎn)純凈水等功能于一體，并模擬人工光合作用，生產(chǎn)出葡萄糖.

1 現(xiàn)有研究成果

傳統(tǒng)的電氣體發(fā)電和磁流體發(fā)電[2]，都只是利用等離子氣體中的一種帶電粒子(正離子或電子)作為載流子，太陽能電池也只利用了太陽光能，普遍存在著功率和效率不夠高、生產(chǎn)成本偏高等問題.氫氣和氧氣是重要的能源材料、功能材料，目前制取方法多但還不夠先進(jìn)，普遍需要消耗燃料、電能和原材料，生產(chǎn)成本也偏高[1,3].

2 微觀分析電離水蒸氣可行性

水分子H2O有2個(gè)極性共價(jià)鍵O-H，斷開第1個(gè)共價(jià)鍵需耗能502 kJ/mol，斷開第2個(gè)共價(jià)鍵需耗能426 kJ/mol，1個(gè)O-H鍵的平均鍵能為465 kJ/mol[4].當(dāng)氣溫升至3 000 K左右時(shí)，水分子開始離解成不帶電的自由基H,OH,O，并生成部分H2,O2；但要使這些自由基電離，需升至上萬K高溫[4].所以，單純的常規(guī)加熱手段很難使水蒸氣電離.但如果預(yù)借電能(類似“貸款”)建立超強(qiáng)電場(chǎng)，對(duì)高溫水蒸氣實(shí)施電暈放電(如施加3×104V電壓[5])，斷裂其極性共價(jià)鍵，先離解成自由基H,OH,O，因H的還原性較強(qiáng)，易失電子，而OH,O的氧化性較強(qiáng)，易得電子，繼續(xù)電暈放電將產(chǎn)生電子e,H+,OH-,O2-，噴入發(fā)電通道，遇到垂直磁場(chǎng)，受到洛倫茲力作用，正負(fù)帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離，e,OH-,O2-集結(jié)到一個(gè)極板上，形成負(fù)極板；H+集結(jié)到另一個(gè)極板上，形成正極板.正負(fù)極板通過電路對(duì)外輸出電能，并償還預(yù)借電能(類似“還款并付利息”).液態(tài)水吸收太陽能變?yōu)楦邷馗邏核魵夂髢?nèi)能增加，分子活動(dòng)加劇，被電離就越容易；逆向看，水溫越低，其內(nèi)能越小，越難電離，尤其是變?yōu)楣虘B(tài)冰后，幾乎不能電離.因此，電離高溫高壓水蒸氣，從微觀上看是可行的，從能量消費(fèi)角度看是有贏利的.

3 研制熱電氣體發(fā)電機(jī)

采取開環(huán)循環(huán)方式，以過濾凈化后的普通水為工質(zhì)，充分吸收太陽能后變?yōu)楦邷馗邏核魵猓瑖娙腚婋x室實(shí)施電暈放電，生成等離子氣體，噴入發(fā)電通道發(fā)電.發(fā)電機(jī)輸電過程中，負(fù)極板上電子e轉(zhuǎn)移到正極板上，OH-,O2-放電后生成O2,H2O，其釋放的電子也轉(zhuǎn)移到正極板上；正極板上H+吸收電子后生成H2.本發(fā)電機(jī)包括吸能裝置、電離室、發(fā)電通道、永磁體、基本電路等.

3.1 研制吸能裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，用石英玻璃制作2個(gè)球形太陽能吸收器，上半球及中央部位透明；下小半球不透明，外覆保溫材料，下接底座；球殼用球形網(wǎng)包繞，球內(nèi)安放1個(gè)四瓣形吸熱板，入球管口設(shè)有單向閥門，球體下端設(shè)有排垢管道.2個(gè)吸收器通過單向高壓噴氣閥連接(圖2).

圖1 球形太陽能吸收器示意圖

圖2 單向高壓噴氣閥示意圖

如圖2所示，啟用吸收器時(shí)，回收壓縮機(jī)活塞，暢通噴口，調(diào)節(jié)螺栓，保持適當(dāng)壓力；給1號(hào)吸收器加注部分水，吸收太陽能后變?yōu)樗魵猓瑵B透過濾層，經(jīng)噴口、壓縮管道噴入2號(hào)吸收器；當(dāng)2號(hào)吸收器中水蒸氣與1號(hào)吸收器氣壓平衡時(shí)，啟動(dòng)1號(hào)壓縮機(jī)，將1號(hào)吸收器中水蒸氣強(qiáng)行壓入2號(hào)吸收器，繼續(xù)吸熱升溫，生成高溫高壓水蒸氣，經(jīng)自動(dòng)控制閥門噴入電離室.

自動(dòng)控制閥門由氣壓敏感裝置(圖3)和開關(guān)閥門裝置(圖4)組成，安裝在輸氣管道上.氣壓敏感裝置利用活塞、彈簧感受氣壓變化，上下滑動(dòng)，使得上下兩對(duì)導(dǎo)電接頭交替連通、斷開.開關(guān)閥門裝置設(shè)有開管線圈、關(guān)管線圈，它們交替通電、交替吸引條形永磁體，牽引管中圓門隨之轉(zhuǎn)動(dòng).

因吸收太陽能加熱水升溫較慢，僅靠1套吸能裝置難以持續(xù)供應(yīng)高溫高壓水蒸氣.所以設(shè)置x套(如9套)吸能裝置，配備x組(如9組)自動(dòng)控制閥門.采用自動(dòng)控制閥門電路，輪流啟用各套吸能裝置水蒸氣.

圖3 氣壓敏感開關(guān)示意圖 圖4 自動(dòng)控制閥門橫截面圖

3.2 電離室設(shè)計(jì)

圖5 電離室立體圖

如圖5所示，電離室為一個(gè)長(zhǎng)方體雙層絕緣隔熱陶瓷柜，外圍套裝一層磁屏蔽管，柜內(nèi)壁安裝一層耐高溫抗氧化導(dǎo)電板.在室內(nèi)進(jìn)氣方向上，先設(shè)置一組電氣石網(wǎng)，再平行間隔設(shè)置三組放電棒網(wǎng)，將電離室橫向分割；第1,2組放電棒網(wǎng)由2n對(duì)放電柱(圖中只例舉2對(duì))并成一面組成，形成兩道嚴(yán)密的放電棒網(wǎng)，將放電室橫截分割；第3組放電棒網(wǎng)由一對(duì)放電柱并成一面組成，靠近電離室出口端；每條放電柱套裝一層耐高溫絕緣陶瓷，柱上設(shè)有左右兩排針狀形放電棒，它們并成一面穿過陶瓷伸出針尖；相鄰兩條放電柱極性相反，其柱上放電棒針鋒相對(duì)；三組放電棒網(wǎng)前后正對(duì)的放電柱極性相反，在進(jìn)氣方向上第1,2,3組最右邊的放電柱分別接高壓正極、負(fù)極、正極，其最左邊的放電柱分別接高壓負(fù)極、正極、負(fù)極.當(dāng)放電柱接上高壓直流電(如3×104V)后，各組放電棒網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生超強(qiáng)電場(chǎng).高溫高壓水蒸氣噴入該電場(chǎng)后，發(fā)生電暈放電[5]，水分子先后被離解成自由基、電離成等離子體，從電離室噴出時(shí)受到第3組放電棒網(wǎng)作用，正、負(fù)帶電粒子分別向左、右偏轉(zhuǎn)，呈曲線噴入發(fā)電通道，為下步偏轉(zhuǎn)分離作些鋪墊.

3.3 發(fā)電通道設(shè)計(jì)

圖6 發(fā)電通道橫截面圖

如圖6所示，發(fā)電通道為一個(gè)正四棱錐體截體形陶瓷柜，與電離室緊密相連，上下兩壁為耐高溫絕緣陶瓷，左右兩側(cè)壁為耐高溫抗氧化導(dǎo)電板，作為正負(fù)極板，與上下絕緣壁相連接，兩極板上間隔設(shè)置三組脊峰形收集擋板，用相同導(dǎo)電材料制成，極板及收集擋板上開設(shè)若干個(gè)小孔氣隙，兩極板的第1,2,3號(hào)收集擋板相對(duì)設(shè)置，在進(jìn)氣方向上三組收集擋板的脊峰由短變長(zhǎng)，前兩組相對(duì)擋板的脊峰長(zhǎng)度彼此相同，第3組擋板左邊短、右邊長(zhǎng)，相互連接，其脊峰段用耐高溫絕緣陶瓷制成，并與上下絕緣通道壁相連，將通道底部封閉起來.正負(fù)帶電粒子噴入發(fā)電通道時(shí)，遇到由上至下的垂直磁場(chǎng)，在洛倫茲力作用下向左右偏轉(zhuǎn).電子e質(zhì)量小、體積小，遇到微粒發(fā)生碰撞，再偏轉(zhuǎn)、再碰撞，最后偏轉(zhuǎn)到通道進(jìn)口附近右側(cè)極板上.OH-,O2-受到洛倫茲力作用向右偏轉(zhuǎn)過程中，遇到微粒也會(huì)發(fā)生碰撞，因其質(zhì)量大、橫截面大，連碰幾下不再偏轉(zhuǎn)了，但軌跡方向是偏向右側(cè)極板的，它們隨氣流“大部隊(duì)”向前運(yùn)動(dòng)過程中，被右側(cè)極板上三組脊峰形收集擋板攔阻，順勢(shì)沿著極板及擋板上小孔氣隙滑出，并被右側(cè)極板及擋板收集，集中到其中部、后方區(qū)域.H+受到洛倫茲力作用向左偏轉(zhuǎn)過程中，遇到微粒也會(huì)發(fā)生碰撞，也因質(zhì)量和橫截面較大，連碰幾下不再偏轉(zhuǎn)了，但軌跡方向是偏向左側(cè)極板的，被左側(cè)極板上三組脊峰形收集擋板攔阻，隨氣流沿小孔氣隙滑出時(shí)被左側(cè)極板及擋板收集，集中到其中部、后方區(qū)域.因OH-,O2-相對(duì)H+而言，質(zhì)量、橫截面更大，更易被氣流裹攜帶走，偏轉(zhuǎn)效應(yīng)更低，所以,第3組收集擋板左邊短、右邊長(zhǎng).右側(cè)極板及擋板收集了大量e,OH-,O2-而成為發(fā)電機(jī)負(fù)極，左側(cè)極板及擋板收集了大量H+而成為發(fā)電機(jī)正極.這樣，所有正負(fù)帶電粒子都成了載流子.

兩張正負(fù)極板分別向側(cè)外延伸，連接上、下、外三張導(dǎo)電板，各自圍制成1個(gè)梯形長(zhǎng)方體放電室.第3組收集擋板也向通道后方延伸，對(duì)外連接上、下、外三張導(dǎo)電板，圍制成1個(gè)長(zhǎng)方體放電室.各極板的側(cè)方放電室、后方放電室連為一體,各內(nèi)極板及其收集擋板、放電室外壁，均開設(shè)若干個(gè)小孔氣隙.兩個(gè)放電室外圍用耐高溫絕緣隔熱材料包圍，相互間留有空隙，作為側(cè)方收氣室,通道后方放電室與外圍耐高溫絕緣隔熱材料間也留有空隙，作為后方收氣室.每個(gè)放電室的側(cè)方收氣室、后方收氣室連為一體.正負(fù)帶電粒子隨氣流偏轉(zhuǎn)到正負(fù)極板及擋板上，經(jīng)小孔氣隙進(jìn)入放電室，各自在室壁上放電產(chǎn)生H2和O2,H2O，通過外室壁小孔氣隙進(jìn)入收氣室、排氣管，再由排氣泵輸出.

3.4 磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

采用永磁材料制成一個(gè)半封閉矩形磁性瓷體，其臂長(zhǎng)大于缺口間距，缺口作為工作空間.考慮缺口邊緣效應(yīng)，缺口空間稍大于工作空間.采取掛接強(qiáng)直流線圈方法保留較強(qiáng)磁性，而后卸掉線圈.

3.5 基本電路設(shè)計(jì)

如圖7所示，將熱電氣體發(fā)電機(jī)與蓄電池組、濾波電容、穩(wěn)壓二極管、逆變器、自動(dòng)控制閥門供電電路并聯(lián)，逆變器連接外電路.發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，閉合開關(guān)S4，由蓄電池組輸電，其直流電經(jīng)逆變后變?yōu)槌航涣麟?，?jīng)變壓器升壓、橋堆整流后變?yōu)楦邏褐绷麟?，接入電離室內(nèi)3對(duì)放電導(dǎo)線.發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，隨著兩極板上帶電粒子越聚越多，電量逐步增大，通過導(dǎo)線對(duì)外輸電，蓄電池組被充電.當(dāng)水蒸氣供應(yīng)中斷時(shí)，發(fā)電機(jī)停止發(fā)電，由蓄電池組繼續(xù)對(duì)外供電.為保持輸出電壓穩(wěn)定和保護(hù)蓄電池組，分別設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路1,穩(wěn)壓電路2.

圖7 基本電路

3.6 發(fā)電公式推導(dǎo)

設(shè)液態(tài)水分子間氫鍵鍵能為E氫鍵，氫氧原子間共價(jià)鍵鍵能為E共價(jià)鍵,電離自由基H,OH,O,需耗能E自由基.正負(fù)離子在水中移動(dòng)時(shí)克服粘滯阻力和微粒間碰撞，需耗能E粘碰.正負(fù)離子到達(dá)電源兩極吸收電能變?yōu)橹行栽?，需耗電E吸電.設(shè)電解液態(tài)水共需借電E水借.液態(tài)水吸能變?yōu)楦邷?、高壓水蒸氣增加的熱力學(xué)能為ΔU水增，電暈放電需借電E氣借.對(duì)于一定數(shù)量的水，常溫下使其電解，需借電能為

E水借=E氫鍵+E共價(jià)鍵+E自由基+

E粘碰+E吸電

(1)

而使同樣數(shù)量的水變?yōu)楦邷卣魵夂髮?shí)施電暈放電，需借電能為

E氣借=E共價(jià)鍵+E自由基-ΔU水增

(2)

所以

E水借-E氣借=E氫鍵+E粘碰+

E吸電+ΔU水增

(3)

可見，電解常溫水要比電離高溫高壓水蒸氣多借一些電能.水吸熱越多，溫度升得越高，增加的熱力學(xué)能越大，需借用的電能就越少，這減少的部分，就來自太陽能.所以，吸收的太陽能對(duì)電離水蒸氣作出了貢獻(xiàn).

因?yàn)樘? s內(nèi)垂直照射在地球表面1 m2上的能量約為1 350 J[5].設(shè)每個(gè)吸收器橫截面積為S，2個(gè)串聯(lián)的吸收器為1套，設(shè)有x套.用來加熱工質(zhì)氣體的熱量與吸收器吸熱量之比，稱為吸收效率，用η吸表示.則在t吸時(shí)間內(nèi)，水增加的熱力學(xué)能為

ΔU水增=∑Q吸η吸

代入數(shù)據(jù)得

ΔU水增=2.7×103Sxt吸η吸J

(4)

假設(shè)有nmol水蒸氣大部分被電離成等離子體，其電離率為η電離.測(cè)出發(fā)電機(jī)正負(fù)極間電壓U，可得發(fā)電量

W發(fā)=UQ=U(n正粒子+n負(fù)粒子)NAe

(5)

代入數(shù)據(jù)得

W發(fā)=1.926×105nη電離UJ

式中NA為阿伏加德羅常數(shù)，e為基本電量.設(shè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部耗電為E內(nèi)耗，對(duì)外凈輸出電能為

E凈=W發(fā)-E氣借-E內(nèi)耗

代入數(shù)據(jù)得

E凈= 1.926×105nη電離U+ 2.7×103Sxt吸η吸-

E共價(jià)鍵-E自由基-E內(nèi)耗

(6)

設(shè)離解水分子第1個(gè)、第2個(gè)共價(jià)鍵的比率為η離解1,η離解2.第1次離解nmol水生成自由基H,OH均為nη離解1mol，第2次離解自由基OH生成自由基H,O均為nη離解1η離解2mol，保留自由基OH為(nη離解1-nη離解1η離解2)mol.兩次離解，共生成自由基H為n(η離解1+η離解1η離解2)mol,生成O為nη離解1η離解2mol.根據(jù)水分子第1,2個(gè)共價(jià)鍵鍵能[4]，離解nmol水需耗能

E共價(jià)鍵= 502×103nη離解1+426×103nη離解1η離解2=

(502 +426η離解2)×103nη離解1J

(7)

將自由基H,OH,O電離成電子e,H+,OH-,O2-，又需耗能；但電子被OH,O自動(dòng)吸附，變?yōu)镺H-,O2-，無需耗能.已知H的第一電離能為1 312.0 kJ/mol[5].對(duì)nmol水蒸氣產(chǎn)生的自由基H電離，需耗能

E自由基= 1 312.0×103n(η離解1+η離解1η離解2)=

1 312×103nη離解1(1+η離解2)

(8)

所以

E凈=1.926×105nη電離U+ 2.7×103Sxt吸η吸-

(502 +426η離解2)×103nη離解1-1 312×103nη離解1

(1+η離解2)-E內(nèi)耗

(9)

(10)

4 設(shè)計(jì)化工合成裝置

結(jié)合現(xiàn)代二氧化碳分離捕集、固定利用技術(shù)[6]和人工光合作用研究成果[7]，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的氫氣，與捕集的二氧化碳?jí)喝朊荛]裝置，在不同催化劑、溶劑和陽光作用下，分別生成甲醇CH3OH或甲醛HCHO作為化工原料；將生成的甲醛再次壓入高壓裝置，加入多種酶和純凈水，根據(jù)需要吸收陽光，發(fā)生化學(xué)合成反應(yīng)，生成葡萄糖C6H12O6水溶液.本裝置包括氧氣水蒸氣分離裝置、氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置，或氫氣加二氧化碳合成甲醛裝置、甲醛合成葡萄糖裝置.

如圖8所示，負(fù)極放電室產(chǎn)生的熱氧氣、水蒸氣，輸至水箱后密閉冷卻輸出，氧氣自然逸出，水蒸氣降溫變?yōu)榧儍羲敵?，用于生活及其他用?普通水預(yù)熱后，輸入1號(hào)吸收器作為工質(zhì).

圖8 氧氣水蒸氣分離裝置

如圖9所示，氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置與球形太陽能吸收器相似，區(qū)別在于用小半球吸熱內(nèi)殼取代四瓣形吸熱板，球體變小.將正極放電室產(chǎn)生的H2與CO2壓入該裝置，在催化劑Cu/ZnO/Al2O3

作用下合成甲醇[6]，作為工業(yè)原料.產(chǎn)物混合體中的H2，CO2被回收重復(fù)參加反應(yīng),普通水預(yù)熱后，輸入1號(hào)吸收器作為工質(zhì).

氫氣加二氧化碳合成甲醛裝置與氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置相似，區(qū)別在于用雙環(huán)戊二烯鎳作催化劑，以丁醇水混合液為溶劑,氫氣與二氧化碳在其作用下，生成甲醛[7].產(chǎn)物混合體中的H2，CO2被回收重復(fù)參加反應(yīng),普通水預(yù)熱后，輸入1號(hào)吸收器作為工質(zhì).

甲醛合成葡萄糖裝置與氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置相似，區(qū)別在于注入甲醛HCHO后，需添加11種酶[7]和純凈水，根據(jù)需要吸收陽光，生成葡萄糖C6H12O6，溶于水中輸出，作為一種生活原料.產(chǎn)物混合體中的甲醛，被回收重復(fù)參加反應(yīng),普通水預(yù)熱后，輸入1號(hào)吸收器作為工質(zhì).

圖9 氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置

5 初步結(jié)論

本裝置利用陽光、過濾凈化后的普通水(甚至海水、被污染的水)、二氧化碳和催化劑、多種酶，實(shí)現(xiàn)既發(fā)電，又產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、產(chǎn)純凈水，并利用氫氣與二氧化碳合成甲醇或甲醛，再用甲醛生成葡萄糖，初步探索了一條人工光合作用途徑，為人類下步遨游太空和外星球提供基礎(chǔ)保障設(shè)施.

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