植物發(fā)電 方興未艾

王志成/編 譯

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，可不可以利用廉價(jià)的植物來作為太陽能發(fā)電的載體呢？可以！歐美與日本等國的科研人員不僅在研發(fā)植物仿生發(fā)電技術(shù)，還發(fā)明出一些新奇產(chǎn)品。

植物帶電之謎

為什么人的手指觸及含羞草時(shí)它便“彎腰低頭”害羞起來？為什么向日葵金黃色的臉龐總是朝著太陽微笑？為什么捕蠅草會像機(jī)靈的青蛙一樣捕捉昆蟲？

更奇特的是，北美洲有一種俗稱“電竹”的缺苞箭竹，人畜都不敢靠近，一旦不小心碰到它，就會全身麻木，甚至被擊倒。此外，印度的森林里有一種樹是有電的。如果人們不小心碰到它的枝葉，立刻就會產(chǎn)生像觸電一樣的難受感覺。

人們注意到，上述植物多數(shù)是在有陽光照射的時(shí)候才會產(chǎn)生電流，而沒有陽光的時(shí)候不會產(chǎn)生電流。由此可見，植物發(fā)電可能與太陽光有關(guān)！

植物利用太陽能發(fā)電的原理

眾所周知，植物具有光合作用，但植物還具有一種光電效應(yīng)，恐怕很少有人知道。

美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家曼弗雷·杰姆斯做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)：用特定的儀器和靈敏度極高的微型電流表，竟然測出天星蕨葉片傳遞15微安的電流。雖然這生物電流極其微弱，但隨著其葉片受光面積的增大，電流也會增強(qiáng)。杰姆斯指出：“如果用人工的方法控制這個(gè)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?！?/p>

對于印度電樹，荷蘭烏得勒支大學(xué)的研究人員展開了較系統(tǒng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)，印度電樹的體內(nèi)有“硅”元素，并形成太陽能硅電池的形式，所以經(jīng)陽光照射會像太陽能電池一樣產(chǎn)生電流。這種樹在光合作用中不僅有發(fā)電的功能，還有蓄電的本領(lǐng)，并且蓄電量會隨著光照時(shí)間的不同而發(fā)生變化—中午帶的電量最多，午夜帶的電量最少。研究人員認(rèn)為：如果徹底揭開印度電樹發(fā)電和蓄電的秘密，也許我們可以按照它的發(fā)電原理，制造出一種新型的發(fā)電機(jī)來。

德國漢堡大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，植物的光電效應(yīng)不僅與光合作用是同時(shí)發(fā)生的，而且能夠蓄存適宜的電量用于其自衛(wèi)的系統(tǒng)功能。例如：當(dāng)太陽光照射到含羞草的枝葉上時(shí)，綠葉就能吸收光能并且從水分中奪取電子，這些電子不斷聚集起來，并處于固定電流場中定向移動。如含羞草的葉片受到刺激后，立即產(chǎn)生電流，電流沿著葉柄以每秒14毫米的速度傳到葉片底座上的小球狀器官，引起球狀器官的活動，而它的活動又帶動葉片活動，使得葉片閉合。不久，電流消失，葉片恢復(fù)原狀。

迄今為止，各國科研人員發(fā)現(xiàn)較有前景的發(fā)電植物是蕨類、藻類、苔蘚植物和竹子。

植物發(fā)電能量巨大

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。電池經(jīng)太陽光照射，果然產(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?。因此，他們認(rèn)為利用植物進(jìn)行太陽能發(fā)電應(yīng)該比太陽能電池板潛力更大。

英國帝國理工學(xué)院教授達(dá)納·麥金泰爾指出:“植物是使用太陽能發(fā)電無可爭議的冠軍。”要知道，經(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化，植物中大部分葉綠體在工作時(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)殡娔芎螅€將改善太陽能電池板的效率。目前，電池板的最高運(yùn)行效率也只在25%左右。

植物發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)品

科學(xué)家正在嘗試把“植物發(fā)電廠”從實(shí)驗(yàn)室里搬出來，為人類提供一種新的能源—葉綠素發(fā)電。

點(diǎn)亮LED燈的濕地植物據(jù)報(bào)道，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)達(dá)納·貝克霍教授主持的新技術(shù)課題“植物電照亮夜空”，可從生長的植物中不斷獲取電力點(diǎn)亮LED燈。這項(xiàng)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，僅需陽光、二氧化碳和水。植物在生長過程中會產(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于土壤，從中捕獲電子發(fā)電。

這項(xiàng)技術(shù)適合應(yīng)用在城市和水鄉(xiāng)建筑物的照明。工程師可在濕地水平面以下放置管道，像泥炭沼澤、紅樹林、稻田或三角洲等地均可如法炮制，進(jìn)行發(fā)電。

運(yùn)行空調(diào)的盆栽植物由亞歷克斯·德里夫教授指導(dǎo)的劍橋大學(xué)“植物光伏電池”科研組，開發(fā)出不少活生生的“植物光伏電池”。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。

實(shí)驗(yàn)表明，一盆直徑1米的多孢子葉蕨類植物在陽光燦爛的日子一天可以產(chǎn)生將近1千瓦時(shí)電，只需3盆蕨類植物就可以滿足一臺空調(diào)需求的電力。而且，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。

居室照明的綠色海藻除了蕨類植物外，研究人員更看好的是各種藻類植物，因?yàn)樵孱惿L和擴(kuò)張都很迅速，對環(huán)境的要求更低，各種水質(zhì)的水域或陰暗潮濕的地方都可以生長藻類。

比利時(shí)根特大學(xué)的研究人員發(fā)明設(shè)計(jì)了一款綠色海藻燈，可以把海藻的能量轉(zhuǎn)化為電能。這個(gè)海藻燈就像是一種大型錐形瓶，下部安裝有特別節(jié)能的LED燈，上部裝了大半瓶水，水里種滿了海藻。水中還有一個(gè)人們看不見的生物電池，可以從海藻那里吸取能量，夜晚為居室LED燈供電。

可為手機(jī)充電的文竹盆栽日本市場最近出現(xiàn)一種名為“文竹電力”的盆栽充電器，它不僅可以作為盆栽觀賞，還可為手機(jī)充電。其秘密就在于花盆底部的一塊生物電池。首先文竹頂部在生長過程中會不斷進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生及排出一些化學(xué)物質(zhì)，而當(dāng)這些物質(zhì)通過泥土傳送到文竹根系的生物電池時(shí)，就會激活電池內(nèi)的厭氧性微生物產(chǎn)生電力并儲存于電池內(nèi)，只需要在盆底部接入通串線，然后再連接手機(jī)即可充電。其最大的好處是24 小時(shí)都可以產(chǎn)生電力，每日足夠?yàn)?部智能手機(jī)充電，而大家能做的就是經(jīng)常澆水及施肥，以確保植物正常生長。

收聽廣播苔蘚電池板瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)生物系恩里克·米瑞拉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出“苔蘚收音機(jī)”，通過苔蘚來為收音機(jī)提供電力。這個(gè)裝置采用植株較大的大金發(fā)蘚、萬年蘚等，在盆栽中設(shè)置一些電極，利用苔蘚進(jìn)行光合作用時(shí)產(chǎn)生的剩余電子，有效將苔蘚轉(zhuǎn)變?yōu)樯锾柲茈姵匕濉?jù)米瑞拉教授介紹，目前僅僅利用了“苔蘚收音機(jī)”所產(chǎn)電能的0.1%，這項(xiàng)技術(shù)有著很大發(fā)展余地。

用于路燈的楓樹電源把電線往大樹上一插，路燈就亮了。這是美國華盛頓大學(xué)物理系教授布萊恩·奧蒂斯科研組的新發(fā)明。該科研組利用的是“楓樹天性蒸騰技術(shù)”。蒸騰作用能利用環(huán)境中的太陽能、難以收集的低熱能、微風(fēng)能，包括微弱的生物電能量。他們的做法是：由特殊金屬制成電極，導(dǎo)線纏繞在樹干上，正負(fù)兩極將安裝在樹干上的“蒸騰電能傳感器”與地下樹根處的“納米級超低耗電能蓄集器”連接起來，另外還有一根電極插在樹根的土壤里。這樣，楓樹的持續(xù)電壓立即從200多毫伏驟升至1.1～1.5伏，相當(dāng)于一節(jié)5號AA電池，完全可為LED路燈供電。

植物發(fā)電發(fā)展趨勢

盡管利用植物進(jìn)行太陽能發(fā)電的技術(shù)剛剛起步，但是許多科研人員仍十分看好它的前景。

一是取代太陽能發(fā)電趨勢。太陽是地球最豐富的能量來源，但是目前僅有極微小部分的陽光輻射被太陽能電池轉(zhuǎn)換為有用的能量。利用植物為載體將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，相對于太陽能電池板來說，不僅光電轉(zhuǎn)換效率高，而且設(shè)備成本也較低。

二是偏僻地區(qū)發(fā)電趨勢。植物是使用太陽能發(fā)電無可爭議的冠軍。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)遠(yuǎn)程輸電，尤其適合偏僻地區(qū)和災(zāi)區(qū)。

三是家用化發(fā)電趨勢。植物發(fā)電的另一發(fā)展趨勢是向微小型移動式植物發(fā)電方向，即家用化植物發(fā)電站發(fā)展。在家用化植物發(fā)電中，所應(yīng)用的蕨類、藻類或竹類等植物，對生長所需的土壤肥力要求不高，生長很迅速，可移動管理也十分方便。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。

四是工廠化發(fā)電趨勢。專家認(rèn)為，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、農(nóng)業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)、傳感器智能化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的發(fā)展，植物發(fā)電工廠化是未來的主要發(fā)展方向。這種發(fā)展趨勢終有一天可能將改變我們的能力，即可使用以植物為基礎(chǔ)的工廠化發(fā)電系統(tǒng)，利用陽光產(chǎn)生清潔的電力。

五是葉綠體拓展趨勢。葉綠體無論是春夏秋冬、晴陰雨雪，都能吸收光能并轉(zhuǎn)化為電能。科研人員正在致力于拓展發(fā)電效率更高、種植更便捷及成本更低的植物科屬。

由于中國地處世界竹子分布中心區(qū)，中國科研人員正在研發(fā)利用竹子進(jìn)行本地應(yīng)用的植物發(fā)電。

法國、西班牙等國科學(xué)家的關(guān)注對象則是地中海地區(qū)盛產(chǎn)的各類菊科植物。這些植物產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于它們成長所消耗的能量，完全可以作為植物發(fā)電的新能源進(jìn)行大力開發(fā)。由于野生菊科植物數(shù)量不能滿足發(fā)電的需要，所以法國正在規(guī)劃大規(guī)模人工種植這類植物，以滿足工廠化發(fā)電的需要。

此外，在房屋周圍廣泛植樹，在墻邊種植青蘿紫藤、爬山虎等植物構(gòu)成厚厚的多層覆蓋的疊式植物群，不僅大為改善房舍周圍的環(huán)境，也極有可能使每戶人家有一個(gè)“綠葉體發(fā)電廠”，這將是真正的無塵、無污染、無噪聲的最富有生命力的新型發(fā)電廠。

（資料來源：美國佛瑞斯特研究院院刊《未來產(chǎn)業(yè)展望》）