太阳能利用需要基础研究
作者：王玲????文章来源：《全球科技经济瞭望》
??? 太阳能转换成可实际利用的能源的形式有太阳能发电、太阳能燃料和太阳能供热三种。需要进行基础研究，以便取得太阳能转换技术的突破。美国能源部的研究指出了13个极具潜力的优先研究领域。
??? 到2050年，世界能源需求预计会增加一倍以上，到本世纪末将增加两倍以上。现有能源网络的增量性完善将不足以可持续地满足这一需求。为未来找到足够的清洁能源是一个最令人畏惧的社会挑战。迄今为止，太阳光是最大的无碳能源来源。地球一小时获得的太阳光比它一年消耗的总能量还要多。我们目前通过太阳能发电来利用这一能源。然而，在2001年，太阳能发电占世界电力供应总量的份额不足0.1%，而可再生的生物质燃料只占能源总量的不到1.5%。我们目前对太阳能的利用与其未开发潜能之间的巨大差距形成了能源研究中的一个重大挑战。太阳光是满足我们未来对清洁、充足的能源需求的一个备受瞩目的解决方案。本文确定了重要的科学挑战和研究方向，到21世纪中叶，科技进步将使我们有效地、经济地利用太阳能资源为全球提供一大部分基本能源。根据其基本的能源产品，太阳能转换系统可分为三种：太阳能发电、太阳能燃料和太阳能供热系统。
??? 太阳能发电
??? 通过光伏太阳能电池将阳光转换为电力的挑战是，大幅降低输送每瓦太阳能电力的成本，与化石燃料和核能发电竞争要降低5～10倍，与初级化石能源竞争要降低25～50倍。有效吸收太阳光的新材料、利用太阳辐射波长的全光谱的新技术以及基于纳米结构的新方法，都可以革新太阳能发电技术。单晶太阳能电池的技术开发和成功商业化证明了光伏技术的前景和实用性，而利用薄膜、有机半导体、染料敏化以及量子点的新方法，为创造更廉价、更有效和更长寿的系统提供极具吸引力的新机遇。很多新方法要依靠以下几个方面来实现：一是通过自上而下和自下而上的新技术在近期实现纳米级结构制作的显著进步；二是利用电子、中子及X光散射和光谱仪在纳米级描述上取得的进步；三是在利用密度泛函理论的纳米级半导体组装中进行电子和分子行为的高级计算机模拟。这些在光电转换基础科学方面的进展，与目前已有的新半导体材料相结合，可以给构思、设计和制造太阳能电池的方法带来革命。
??? 太阳能燃料
??? 太阳辐射固有的日夜和阴晴循环需要一种有效的方法来储存转换后的太阳能，供以后分配和输送。最有吸引力和最经济的储存方法是转换成化学燃料。太阳能燃料技术的挑战是，以完善的、划算的方式直接利用太阳光生产化学燃料。
??? 一千年来，利用生物质生产出来的廉价太阳能燃料已成为地球上的初级能源。但在过去的两个世纪里，能源需求超出了生物质供应能力。如果利用现有的各种植物，则需要巨大的土地面积来满足一部分初级能源需求。在地球上，几乎所有的可耕地都需要种上柳枝稷等已知速生能源作物，才能生产出目前每年从化石燃料得到的能量。因此，重点研究目标：一是利用生物学和生物技术方面的突破性进展来设计植物和微生物，使它们成为更有效的能源转化“机器”；二是根据自然光合作用原理来设计高效的、全人工的、分子层次的能量转换机器。这两种方法中的一个要素是利用结构生物学、基因组测序和蛋白质组学，对涉及将太阳能辐射生物转化成糖和碳水化合物的结构和动力学予以连续的说明。虽然实验室的成功已证明，可以通过人造分子机器直接进行太阳能燃料的生产，但是当前的技术水平与可利用的技术之间仍存在巨大差距。现有的实验室系统还不能达到长期稳定的性能，对实际操作而言还太昂贵，效率也太低，还不实用。需要基础研究来开发各种方法和系统，以弥合科学前沿与实用技术之间的差距。
太阳能供热系统
??? 太阳能供热技术的关键挑战是，找到成本效益高的方法来将太阳光转换成可储存、可配送的热能。反应器经过热塔中聚焦的太阳光加热，温度会达到3000℃以上，因此不用昂贵的催化剂就可以用原材料进行燃料的化学生产。为推广这一技术，需要用耐高温新材料来制造太阳能热反应器。在较低的太阳能集聚温度下，太阳能加热可用于驱动涡轮机，进行机械发电，其效率比太阳能光电技术更高。纳米结构热电材料为利用温差直接发电提供了希望，在几百摄氏度的温差时发电效率为20%～30%。太阳能热反应器的温差越大，效率就会越高。要使所有的集中式太阳能供热技术的成本效益最大化，则需要聚焦系统用的廉价的、高性能的新反射材料。
??? 优先的研究方向
??? 美国能源部确定了13个极有潜力产生科学突破的优先研究方向，这些突破会推动太阳能向电能、燃料和热能最终利用的转换取得明显进步。其中很多研究方向涉及的不只是一种方法或一项技术。这些跨领域的问题包括：耐心地加工廉价的材料，使其在电学、光学、化学和物理学方面发挥与昂贵材料一样的性能；开发太阳能电池设计的新范例，突破传统的效率限制；找到催化剂，使得太阳能可以廉价地、有效地转换成化学燃料；找出分子组件自我组配为功能集成系统的新方法；开发太阳能转换基础设施用的材料，如透明导体、可靠的廉价的热处理材料。
??? 到21世纪中叶，尽管仍存在巨大的障碍阻止现有技术利用太阳能生产我们日常所需的基本能源，但能源专家认为，通过基础研究可以实现这一目标。这一乐观的看法在很大程度上基于纳米科学领域在全世界持续、快速的进步。纳米级的结构、描述和模拟的新方法利用了5年前还用不上的工具，如今却为理解和操作太阳能转换的分子和电子途径创造了新机遇。更加乐观的观点源自基因组测序、蛋白质生产和结构生物学的令人瞩目的发展，这些进步不久就会揭开光合作用和自然生物催化作用的秘密。详细地了解这些高效的自然过程，我们就能对之进行修改并延伸到分子反应，直接生产太阳能燃料，完全接入我们现有的能源网络。纳米科学和分子生物学等科学前沿所取得的快速进展，为未来太阳能转换取得突破打下了坚实的基础。
?
一种新型太阳能电池
作者：Belle Dumé, 李清旭 译 引用网址：http://www.qiji.cn/eprint/abs/1983.html 相关网址：http://www.physicsweb.org/articles/news/8/11/3/1
摘要/内容：
据应用物理学快报(Appl. Phys. Lett. 85 3932 Link)报道，日本科学家研究出了第一个既可以把太阳能转化为电能又可以储存所得到电能的太阳能电池。来自横滨Toin大学的研究人员Tsutomu Miyasaka和Takurou Murakami设计的这种“光-电容器”(photocapacitor)可以用来给移动电话和其他便携设备供电。 通常的太阳能电池需要有一个诸如电池这样的储存光能所转化的电能的部件。而新设计的这种光-电容器把光电转化和存储功能整合到了一起。 这种电池包括两个电极：一个用半导体二氧化钛做成的吸收光电极和镀铂的玻璃做成的反向电极，两个电极中间用一层树脂薄膜隔开。两个电极都有一个具有大的表面积的活性碳多孔层。所有这三层都充满离子溶液成为一个电容器，这个电容器有一个0.64平方厘米大小的光接收面（见图）。 在光照的条件下，二氧化钛层表面的光接收器：光敏染料分子(dye molecules)吸收光子，电子被激发从光敏染料分子转移到二氧化钛的导带产生电流。接着，电子通过外部回路转移到反向电极的活性碳层。 与此相反，带正电荷的空穴转移到光电极的活性碳层。正负电荷在不同碳层的聚集使器件可以像电容器一样储存电荷和能量。能量可以简单地通过器件放电释放出来。 “在利用弱的光线方面，这种光-电容器的效率是普通太阳能电池的两倍，”Miyasaka 对物理网(PhysicsWeb)这样说，“这意味着可以利用非直接的太阳光(indirect sunlight)，例如在阴天和雨天的时候，甚至是室内光线。并且，可以在任何时候释放出电能，甚至在黑暗中也是如此。” Miyasaka 说他们下一步的目标是提高充电电压和充放电能力达到实际应用和工业应用的水平。
课件30张PPT。《可再生能源》 ——未来的能源生物质能你知道什么是生物质能吗？什么是生物质能绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，贮存在生物质内部，形成“生物质能”。
植物
水 + 二氧化碳 有机体 + 氧
太阳能
在各种可再生能源中，生物质能是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分生命之火开发生物质能的意义生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。
美国2001年消耗的可再生能源中有50.4％来自生物质能。
开发低成本、利用效率高，生物质能的生产工艺，对广大发展中国家具有重要意义。生物质能的特点一切由光合作用产生的有机物
生物质能是可再生能源
优点:
提供低硫燃料
提供廉价能源(于某些条件下)；
将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)
与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少生物质能的特点缺点:
小规模利用
植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；
单位土地面的有机物能量偏低
缺乏适合栽种植物的土地
有机物的水分偏多(50%～95%)生物质能的种类薪材、森林工业废弃物
农业废弃物（农作物秸秆）
动物粪便
水生植物
油料植物
城市、工业有机废物（如垃圾、酒糟）生物质能的分类方式生物质能可分为两类——传统的和现代的
现代生物质能是指那些可以大规模用于代替常规能源（即矿物类固体、液体和气体燃料，化石燃料）的各种生物质能
现代生物质包括
木质废弃物（工业性的）
甘蔗渣（工业性的）
城市废物
生物燃料（包括沼气和能源型作物） 生物质能的分类方式传统生物质能主要限于发展中国家使用，广义来说它包括所有小规模使用的生物质能
传统生物质包括
家庭使用的薪柴和木炭
秸秆 （包括稻草、稻壳）
其他的植物性废弃物
动物的粪便农业剩余物制取酒精（玉米茎杆）杂交杨树用于生产生物燃料生物柴油驱动公交车（大豆）用于生产乙醇的设备厂房生物质电力（木屑）生物质汽化发电设备生物质能利用方式直接燃烧：秸秆、薪炭林、干粪、垃圾发电
化学转化：热解汽化
生物方法：沼气发酵—粪便、秸秆；酒精发酵－甘蔗等糖质原料、淀粉、纤维素（如秸秆、木屑、甘蔗渣）（5-25%）
植物生产石油：小巴豆的种子含油达50％；巴西苦配巴树钻孔流出柴油似原油每小时5－10升生物质能利用方式其它：有机物堆肥好氧发酵（热回收器）； 微生物产氢（绿藻、蓝藻、光细菌在光照下产氢气）；非光和产氢细菌产氢；植物产氢（用树叶代替太阳能电池或集热器）美国大豆农场每年逸出氢气约300亿立方米
玉米高粱 －甲醇、乙醇等替代汽油（巴西）
垃圾－－发电、燃油(波兰.)
粪便---沼气利用(中国)各国生物质能的利用生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。
许多国家都制定了相应开发研究计划，
如日本的阳光计划
印度的绿色能源工程
美国的能源农场
巴西的酒精能源计划
我国生物质能利用的现状
近期优先发展项目：生物质气化供气；生物质气化发电；大型沼气工程 ；生物质直接燃烧供热
中长期化发展项目：生物质高度气化发电项目（BIG/CC）；生物质制氢等优质燃气；生物质热解液化制油 各国生物质能的利用在德国东部萨克森州弗赖贝格市， 科伦（CHOREN）高科技公司提取生物柴油
木屑、秸秆及生活垃圾等生物质为原料，经过一套分解、提取、合成
太阳能一部分以简单的直接利用方式被人类获取，另一部分则贮存在生物质中。这些能量除去被消费的部分外，剩余产物大致为：碳、二氧化碳和氢气
科伦（CHOREN）高科技公司合成柴油的基本原料就是这三种物质
从每10吨生物质中提取2到3吨的柴油使用阳光柴油的轿车生物质汽化发电原理图密云生态山庄沼气池沼气灯日本专家用黄豆油驱动小拖拉机北京地区研制的秸秆汽化炉生物质循环流化床气化发电流程图主要由进料机构，燃气发生装置，燃气净化装置，燃气发电机组、控制装置及废水处理设
备六部分组成我国的生物质能利用仍是中国农村能源消费中的主要组成部分
到1996年底，推广省柴节煤炉灶1.7亿户，每年减少了数干万吨标准煤的消耗
中国政府十分重视生物质能源的开发和利用我国的生物质能利用全国已建农村户用沼气池600多万个，年产沼气16亿立方米
兴建大中型沼气工程近600处（含工业有机废弃物沼气工程），使8.4万户居民用上了优质气体燃料
建成薪炭林540万公顷，年产薪柴约4000万吨
大中型畜禽场沼气工程技术、秸秆气化 集中供气技术和垃圾填埋发电技术等的进展引人注目 我国的生物质能利用这些技术的进步同世界先进水平相比仍有较大的差距，特别是在技术设备的产业化和商业化生产方面的差距更为明显
中国一般都处于商业化的前期，有的还停留在示范阶段
生物质能的利用拾柴背秸秆的老大爷晾晒在墙上的干牛粪用沼气做饭的农妇生物质能利用应注意的生物质不同的用途使生物质有不同的价值，统一确定生物质的经济性是十分困难，大规模商业化应用生物质会对其他市场，如食品市场和造纸市场产生重大影响。
评价生物质的经济性：必须考虑生产生物质的成本和能源投资，所需的水和肥料以及开发利用生物质对土地利用和人口分布形式的总体影响等。
大规模开发利用生物质资源，必须注意保护生物多样性，保护自然风景区和环境敏感区，同时还要注意控制废水和废气。丹麦的有机垃圾变生物气的设施由能源支撑着的城市城市居民区产生的垃圾您想到什么？课件28张PPT。生物质气 涂宝峰
导师：程谟杰、辛勤
2005-05-17Seminar Ⅰ能源危机：石油：~25年
天然气：~75年
煤：~200年未来能源模式1、生物质能
2、水电
3、风能
4、太阳能的其它利用
5、其它
1、1什么是生物质能 生物质是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程， 太阳能
水+二氧化碳 ——→ 有机体+氧
植物 一、生物质能生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种
以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用。 1、2 生物质资源1、农作物废弃物
2、林业废弃物
3、畜禽粪便
4、工业固体废弃物
（1）农作物谷壳
（2）造纸厂废弃物
（3）木材厂废弃物
（4）其他相关的工业生物质废弃物
（5）城市固体废弃物 1、3 生物质能的特点： ? 生物质能具有许多优点：
1、生物质资源的大量性和普遍性
每年植物光合作用固定的碳2×1011t，含能量达3×1021J，相当于全世界每年耗能量的10倍。
2、生物质能是一种理想的可再生资源
3、生物质能的清洁性
1、4 生物质能转化的技术路线 2.1生物质气化基本原理一、生物质的干燥
二、裂解反应
三、还原反应
四、氧化反应二、生物质气原理图：湿料气体干燥层
100~250℃热分解层
300℃
500℃
800℃还原层
900℃氧化层
1200℃H2O（蒸汽）木（CH1.4O 0.6）→
可燃气体（CO，H2，CH4
CO2等）+液体（包括
焦油和水蒸气）+炭C+CO2→2CO
C+H2O→H2+COC+O2→CO2
2C+O2→2CO灰空气以上吸式气化炉为例2、2生物质气化技术分类：生物质气化不使用气化介质干馏气化使用介质气化空气气化氧气气化水蒸气气化水蒸气-氧气混合气化氢气气化固体炭
木焦油
木醋液
气化气四种气化方式产生的气体组成2、3生物质气化燃气的特性一、生物质燃气成分和热值
目前应用最多、技术成熟的是空气气化，其产出的气体中氮气含量高因此气体热值偏低。
二、生物质燃气的理化特性和燃烧特性
与工业燃气比，燃气中氮气含量高、热值较低、燃烧所需的理论空气量较少、爆炸极限高
2、4 生物质气化设备：生物质气化炉固定床气化炉流化床气化炉单流化床气化炉循环流化床气化炉双流化床气化炉携带床气化炉上吸式气化炉开心式气化炉横吸式气化炉下吸式气化炉根据气流方向按气化炉结构
和气化过程工作安全、稳定
几种气化形式对气化发电系统性能的影响
2、5生物质燃气的净化：2.5.1生物质燃气中的杂质
1、灰尘
2、木焦油
3、水2.5.2生物质燃气的净化生物质燃气
净化技术湿式过滤干湿结合过滤干式过滤裂解过滤热裂解催化裂解电裂解焦油+空气→CO木炭焦油+催化剂→燃气500℃旋风除尘→电晕放电
→多孔床浓缩过滤水洗：喷淋、水旋分离器等水喷淋→离心分离→吸附剂吸附高温旋风分离除尘→热交换器冷却
→吸附过滤2、6 生物质气的应用及相应技术1、供热
2、供气
3、发电
4、化学品的合成
2.6.1生物质气化供热工艺原理图气化炉滤清器燃烧器供热空气生物质2.6.2生物质气化集中供气系统工艺流程图2.6.3 生物质气化发电方式锅炉蒸汽轮机内燃机燃气轮机生物质气化炉净化系统发电机发电机发电机传统模式生物质循环流化床气化发电装置主要由进料机构，燃气发生装置，
燃气净化装置，燃气发电机组、控制装置及废水处理设备六部分组
成，其流程如图1所示。
一种新的生物质气发电装置—固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池发电原理：
阴极： Ｏ２＋４ｅ→２Ｏ２－ 阳极： Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ ＣＨ４＋４Ｏ２－→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋８ｅ ＣＯ＋Ｏ２－→ＣＯ２＋２ｅ固体氧化物燃料电池的特点：高效、清洁；高温
操作，可直接电化学氧化天然气等碳氢化合物燃料；不
需贵金属作电极材料。100 kW SOFC cogeneration system supplied by Siemens Westinghouse .it operated for 16,667 hours2.6.4生物质气合成化学品—甲醇
生物质原料预处理气化炉冷却器转换器调节器CO2转换器压缩器合成器甲醇生物质中热值气化合成甲醇技术工艺流程图生物质能必然会成为未来能源的重要组成部分
参考文献：1、马隆龙、吴创之、孙立 编著，生物质气化技术及应用，化学工业出版社，2003。
2、吴创之、马隆龙 主编，生物质能现代化利用技术，化学工业出版社，2003。
3、孔书轩、张全国，资源节约与综合利用，生物质燃气净化技术进展，1999年3月第一期。
4、米 铁、刘武标、刘德昌、陈汉平、李善文、李 克、尹辅印，生物质流化床气化炉气化过程的实验研究，《化工装备技术》第22 卷第6 期2001 年。
5、尹艳红、朱 威、夏长荣、孟广耀、郭庆祥，一种新的生物质气发电装置——固体氧化物燃料电池用设备，可再生能源 ，2004 第 3 期
6、郭秀兰,赵月春,黄 鹤，生物质催化气化合成甲醇，能源工程，2004 ①
7、 R.P.J.M. Ravena, K.H. Gregersenb，Biogas plants in Denmark:successes and setbacks，Renewable and Sustainable Energy Reviews， xx (2005) 1–18
8、Xinshan Qia,b, Shuping Zhanga, Yuzhi Wanga, Renqing Wanga, Advantages of the integrated pig-biogas-vegetable greenhouse system in North China，Ecological Engineering 24 (2005) 177–185
9、 S.S. Kapdi, V.K. Vijay*, S.K. Rajesh, Rajendra Prasad， Biogas scrubbing, compression and storage: perspective and prospectus in Indian context，Renewable Energy 30 (2005) 1195–1202
10、朱灵峰,张百良,梁庚白,朱金梭,范彩玲 ,雒廷亮 ,刘国际，玉米秸秆热化学法合成甲醇的研究，河南农业大学学报，2003，第37 卷 第4 期
谢谢！
