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别光想着用爱发电,用花花草草也行!

蛋挞_1988 发表于  2017-05-08 19:11

人类的科技已经成功地利用多种永续的能源来发电,比如太阳能,风能和潮汐能。这里我们要说的,是一群突发奇想的科学家试图用植物发电的故事。不,不是你以为的西瓜电池或者苹果电池。我要说的是长在土地里的植物,通过捕获它们代谢过程中产生的电能来进行发电。这些科学家来自荷兰瓦赫宁根大学(WageningenUniversity & Research,WUR)环境技术系,他们用近10年的时间向世界证明:植物发电可以成为推动能源与环保新思路的一项里程碑式的科技。这还真是:要想富,少生孩子多种树。

何为植物发电?

植物发电的本质,其实是利用土壤中的微生物进行发电。那么,为什么叫植物发电呢,因为发电过程中主要的能源物质,来源于植物光合作用产生的有机物。这些有机物只有很少的部分提供给植物自身的生长,剩下的大部分会通过植物的根系分泌到土壤环境中。而存在于土壤中的一些特定的“产电”微生物,可以有效地利用这部分有机物,经过细胞内部的新陈代谢作用将其氧化,并把该过程中产生的电子通过细胞的呼吸链传递到细胞外部。如果在土壤中放入电路的阴极和阳极,那么这些电子最终将被阳极接收,随后通过外电路传递到阴极。在阴极,电子与和空气中的氧气结合,外加上来自于阳极的氢质子,最终生成水。整个过程,植物的光合为“产电”微生物发电提供了基本养料人工的外电路负责收取电能

植物发电的基本原理图,图片来自plant-e 公司简报(www.plant-e.com)

植物发电有什么难点?

这样看来植物发电好像很简单嘛,是不是只要在公园绿地两边插上两个电极,我们就能用上清洁能源了呢?答案是“NO”。虽然植物发电原理不难,但是要把它从实验室搬到现实生活中实际应用起来,科学家们需要先解决很多科学技术难题。

首先是产电功率低。作为产电装置,一个重要的评价指标是产电功率。产电功率涉及到电流和电压(电功率=电流×电压)。在植物发电过程中,电流代表了微生物代谢有机物传递电子的能力,电压则取决于分别在阳极和阴极参与反应的物质。理论上来讲,由于发电系统中在阴阳极发生反应的物质是固定的:阳极发生的是有机物氧化的反应,阴极发生的是氧气的还原反应。因此植物发电的系统中最大的电压(额定电压)也是固定的,大约是1.28V左右。跟电压不同的是,电流受系统内部的结构、植物及微生物的生长状态,以及运行条件等多个因素之间共同的制约。不同的植物发电系统,产电电流大小很可能完全不同。所以,植物发电应用到生活中的一个重要前提,就是找到一个合适的植物生长系统,让电功率达到一定标准。为了方便比较和评价不同的植物发电系统,科学家们使用了电流密度这一概念来合理的评估不同系统的产电能力。一般来讲,电流密度是指流过单位有效阳极面积的电流(单位A/m^2)。经过十多年的探索,电流密度从0.05mA/m^2 提升至 2.5 A/m^2,整整50000倍啊!电功率也因此从0.0067 W/ m^2 提高到3.2W/ m^2(由于存在电阻损耗,所以虽然电流密度提高了近50000倍,但整体算下来,功率只提高了500倍)。

植物发电?这可是一种名副其实的“绿色能源”。图片来自:123RF

其次是电极材料的成本高。上面提到了植物发电系统中需要引进人工的电极材料,这种电极材料在具备良好的导电性能的同时,还需要有很好的微生物相容性能,也就是说电极材料要能够利于微生物的生长与附着。不然一个电极插下去微生物都死掉了,或者虽然活得好好的但是放出的电子离电极八丈远,无论哪种情况系统都无法正常发电。目前,最常用的电极材料是碳电极材料,如碳毡,活性炭颗粒等。为了保证能够有效的收集电流,需要用一些贵金属导线(如金或铂,也就是黄金和白金)将这些碳电极与外电路链接。这些贵金属的使用不但大大提高了植物发电系统的成本,也同时带来了环境污染和潜在的生态危害。怎么解决这些问题,也是推广植物发电过程中最需要关注的。

第三是如何有效地收集电流。科学家们正在努力挖掘植物发电的产电能力,虽然电功率已经有了近500倍的提高,但是这些电能的利用价值却并没有很高。比如给一台Iphone 手机充电(所需功率5W),以最高的产电功率来计算(3.2 W/ m^2)我们至少需要2平方米的阳极材料面积。这么大的一块面积,仅仅能充一个手机,要满足正常的家用电需求貌似是完全不可能的。当然也不能因此就否定植物发电的意义,虽然植物发电产生的功率很微小,但是它却可以一天24小时不间断地产电,并不会像太阳能板需要阳光、风车需要有风才能工作。充分利用这一特性,科学家们提出了利用外接电容器收集电流的方式来供电。先把储存的微小电能积攒起来,随后利用规模化的电路元器件,转换为相对高的功率输出出去。引进电容器在植物发电系统中,为推动植物发电全面大规模实际应用奠定了重要的基础。

植物发电离我们已经不远了

瓦赫宁根大学一向鼓励学生开展创业活动,于是由学校出资为植物发电项目组建了一个小型创业育成公司,名叫Plant-e。如今公司已经开发出的了几种类型的产品。比如负责教学和创意家居的小玩意儿(a),当然了,由于体积太小它没办法提供电能; 还有可以应用于绿屋顶或建筑物墙壁的可移动发电模块(b),铺一层植物在房顶,冬暖夏凉还省电;以及大型化、便于实际应用的管状系统,可以为道路两边的LED照明灯供电(c)。

(a)发电创意小盆栽(供教学,家具装饰等用途);(b)可发电绿屋顶模块; (c )管式植物发电系统。该构型适合于在湿地和自然生态系统中的大规模的实际应用。图片来自plant-e 公司简报(www.plant-e.com)

这些产品已经推广至荷兰的11个城市,Plant-e还特意为瓦赫宁根大学提供了一套供电系统用于校内信息板的照明。该公司下一步的计划就是要打进中国市场,为构建中国海绵城市提供新的建设思路。也许很快,我们真的可以用公园绿地来发电了。(编辑:婉珺,题图来自:123RF)

热门评论

  • 2017-05-08 20:20 张家界一枝花

    用植物发电,发出来的电养植物,

    新永动机get

    [16] 评论
  • 2017-05-08 22:41 科学二百五木头
    引用@张家界一枝花 的话:用植物发电,发出来的电养植物,新永动机get

    消耗光能。。。

    [10] 评论
  • 2017-05-09 14:57 天降龙虾

    要把大自然吸干榨净的感觉。。。。以及,荷兰那种温和的海洋性气候,跟中国这种大陆季风气候不同啊。。。一到冬天,植物枯萎,土地冻得梆梆硬,还能发电么??而且,听说有黄金白金的话,估计得派人专门守着电极,否则用不了几天就被偷走了信不???

    [8] 评论

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全部评论(34)
  • 1楼
    2017-05-08 20:20 张家界一枝花

    用植物发电,发出来的电养植物,

    新永动机get

    [16] 评论
  • 2楼
    2017-05-08 22:41 科学二百五木头
    引用@张家界一枝花 的话:用植物发电,发出来的电养植物,新永动机get

    消耗光能。。。

    [10] 评论
  • 3楼
    2017-05-09 10:28 大头米少

    那么植物发电的效率比“爱”高吗?

    [1] 评论
  • 4楼
    2017-05-09 12:13 口天吉力
    引用@张家界一枝花 的话: 用植物发电,发出来的电养植物,新永动机get

    你不觉得这是光能驱动的吗

    [3] 评论
  • 5楼
    2017-05-09 12:21 口天吉力

    我觉得从发电能量转化角度来看,和太阳能板没有任何区别,而且太阳能板效率更高毕竟目标就是产生电能,而植物产电的整套系统把光能更多用于产生植物体和微生物所需的有机物,电能是顺便产生的副产物,从源头决定了功率上限严重低下。但也有优势,可以在不影响绿化面积的前提下顺便产电,这是太阳能产电做不到。

    [2] 评论
  • 6楼
    2017-05-09 14:57 天降龙虾

    要把大自然吸干榨净的感觉。。。。以及,荷兰那种温和的海洋性气候,跟中国这种大陆季风气候不同啊。。。一到冬天,植物枯萎,土地冻得梆梆硬,还能发电么??而且,听说有黄金白金的话,估计得派人专门守着电极,否则用不了几天就被偷走了信不???

    [8] 评论
  • 7楼
    2017-05-09 15:22 刘公子是小布尔乔亚

    还是太阳能的

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-05-09 18:02 喜欢新玩意儿_28941

    貌似“用花花草草发电”遇得到的第一个问题是“太阳能”的弥散性!在地球表面正对太阳光情况下每平方米能够获得的光能量并不多且不说还有乌云什么的遮日的时候呢,所以“用花花草草发电”的“产电功率低”就不足为奇的啦。

    [1] 评论
  • 9楼
    2017-05-10 11:26 Chemiholic

    用爱发电为什么不行?参见王中林的“摩擦发电”技术

    [0] 评论
  • 10楼
    2017-05-10 14:16 Big.D 果壳实验室主任

    发电,是用光的艺术……

    [0] 评论
  • 11楼
    2017-05-10 15:43 小皇大大
    引用@Chemiholic 的话:用爱发电为什么不行?参见王中林的“摩擦发电”技术

    台巴子人人得而诛之啊。。。

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-05-10 17:21 我开心vacation

    白金还是铂金?

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-05-10 17:41 太空骑师弗兰肯斯坦

    为何不用电鳗,十万伏特效率岂不更高

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-05-10 17:55 idlebreeze

    果然是已经成立了公司

    [0] 评论
  • 15楼
    2017-05-10 18:52 未风
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:貌似“用花花草草发电”遇得到的第一个问题是“太阳能”的弥散性!在地球表面正对太阳光情况下每平方米能够获得的光能量并不多且不说还有乌云什么的遮日的时候呢,所以“用花花草草发电”的“产电功率低”就不足为奇...

    这关太阳能的弥散性毛事啊?这种发电方式利用的是植物光合作用产生的有机物,植物就相当于一个储能器,鉴于每块土地每年接收到的太阳能差不多是个定值,这种发电方式实际上并不受天气和日照时间影响。

    它产电效率低是因为微生物本身产电的效率就不是很高,从源头上就限制住了。

    [0] 评论
  • 16楼
    2017-05-10 19:08 参天

    直接腐烂发电?化粪池发电。。。。

    [0] 评论
  • 17楼
    2017-05-10 20:06 沉陷过往的愚者.

    这些有机物只有很少的部分提供给植物自身的生长,剩下的大部分会通过植物的根系分泌到土壤环境中。

    --------------------------------

    很奇怪,植物为什么要把有机物通过根系分泌出来么?这对植物生存来说没有任何优势啊?


    [1] 评论
  • 18楼
    2017-05-11 08:22 喜欢新玩意儿_28941
    引用@未风 的话:这关太阳能的弥散性毛事啊?这种发电方式利用的是植物光合作用产生的有机物,植物就相当于一个储能器,鉴于每块土地每年接收到的太阳能差不多是个定值,这种发电方式实际上并不受天气和日照时间影响。它产电效率低是...

    难不成“太阳能的弥散性”不就是产能少的原因吗?本人同意“植物就相当于一个储能器”这个说法,我们今天使用的“化石能源”不就是植物们很多很多年储蓄下来的太阳能吗?

    [0] 评论
  • 19楼
    2017-05-11 10:38 未风
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:难不成“太阳能的弥散性”不就是产能少的原因吗?本人同意“植物就相当于一个储能器”这个说法,我们今天使用的“化石能源”不就是植物们很多很多年储蓄下来的太阳能吗?

    你先解释一下所谓“太阳能的弥散性”是个什么意思吧!

    若按你上文所说,地球表面正对太阳光情况下每平方米能够获得的光能量并不多,这句话是不正确的。太阳垂直照射的情况下,地球表面每平方米每分钟能获得42KJ的能量,这个量和正文所述的微生物发电的功率有着数量级的差距,原因就在于无论是植物光合作用的效率还是微生物发电的效率都相当低。但它们的优势都在于基数大,所以若能有效利用总功率会十分庞大。

    至于说还有乌云什么的遮日的时候呢,这根本就算不上什么大的影响,即使是夜晚植物依然在生长,就遑论阴雨天气了。影响最大的因素实际上是纬度和季节变化。但季节变化对于地球整体而言是个内部问题,人类只要能有效利用低纬度地区获得的太阳能就足够使用了。

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-05-11 10:45 未风
    引用@沉陷过往的愚者. 的话:这些有机物只有很少的部分提供给植物自身的生长,剩下的大部分会通过植物的根系分泌到土壤环境中。--------------------------------很奇怪,植物为什么要把有机物通过根系分泌出来...

    如果土壤中没有足够多活跃的微生物,植物是无法生长的,两者是很紧密的共生关系。

    [0] 评论
  • 21楼
    2017-05-11 14:16 我忍不住回帖了

    跟太阳能发电比,是脱裤放屁吗

    [0] 评论
  • 22楼
    2017-05-11 16:48 去吹风

    无聊吧,用植物去吸收光产生有机物,再用微生物分解有机物产生电。。。你tm直接用太阳能电池不就好了吗?效率还高,技术也成熟。。。。。

    [1] 评论
  • 23楼
    2017-05-11 18:20 喜欢新玩意儿_28941
    引用@未风 的话:你先解释一下所谓“太阳能的弥散性”是个什么意思吧!若按你上文所说,地球表面正对太阳光情况下每平方米能够获得的光能量并不多,这句话是不正确的。太阳垂直照射的情况下,地球表面每平方米每分钟能获得42KJ的...

    你瞧地球表面真正能够用来种植植物去发电的面积有多少呢?当然本人也非常赞成应该通过研究提升植物光合作用的效率与微生物发电的效率,这一点上没有异议。但愿有那么一天人类只要能有效利用低纬度地区获得的太阳能就足够使用了!

    [0] 评论
  • 24楼
    2017-05-11 18:34 未风
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:你瞧地球表面真正能够用来种植植物去发电的面积有多少呢?当然本人也非常赞成应该通过研究提升植物光合作用的效率与微生物发电的效率,这一点上没有异议。但愿有那么一天人类只要能有效利用低纬度地区获得的太阳能就...

    最起码也要比农田多几倍,因为这完全可以通过改造现有的植被来实现。

    [0] 评论
  • 25楼
    2017-05-11 18:45 喜欢新玩意儿_28941
    引用@未风 的话:最起码也要比农田多几倍,因为这完全可以通过改造现有的植被来实现。

    对对对!用“热带雨林”来发电绝对是个好主意!

    [0] 评论
  • 26楼
    2017-05-12 06:31 mark_w

    那么,达到十万千瓦的规模需要多少株植物呢?

    [0] 评论
  • 27楼
    2017-05-12 08:54 供奉翰林
    引用@张家界一枝花 的话: 用植物发电,发出来的电养植物,新永动机get

    永动机?这个过程是有能量消耗的呀

    [0] 评论
  • 28楼
    2017-05-12 11:11 张家界一枝花
    引用@供奉翰林 的话:永动机?这个过程是有能量消耗的呀

    ==我知道啊,我就开个玩笑。。。

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  • 29楼
    2017-05-15 03:35 路小艾

    先不讨论其它方面的优缺点,仅仅从效率来讲,这里提到的植物发电归根到底是利用太阳能,中间还通过植物和微生物两个环节,肯定不如直接的太阳能发电更有效率。

    至于利用现有植被发电?这也不现实,因为它会极大影响现有的植物生态,少量实验也就罢了,如果大规模应用很可能导致生态灾难啊。

    [0] 评论
  • 30楼
    2017-05-18 14:08 沉陷过往的愚者.
    引用@未风 的话:如果土壤中没有足够多活跃的微生物,植物是无法生长的,两者是很紧密的共生关系。

    号奇怪的共生关系啊。。。为什么没有足够多活跃的微生物植物就无法生长了呢。。。

    = = 。。。

    [0] 评论

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