光化学电化学和太阳能的转化.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光化学和太阳能转化,潘华,环境科学与工程系,1/75,1.光化学,2.太阳能及其转化,3.光催化制氢,2/75,光化学,1.1 光化学概念,1.2光化学定律,1.3 光化学反应过程,1.4 大气中主要气体光吸收,1.5 光化学烟雾,3/75,1.1 光化学概念,光化学是研究光与物质相互作用所引发永久性化学效应化学分支学科。因为历史和试验技术方面原因，光化学所包括光波长范围为1001000纳米，即由紫外至近红外波段。,4/75,光化学过程,是地球上最普遍、量主要过程之一，绿色植物光合作用，动物视觉，涂料与高分子材料光致变性，以及摄影、有机化学反应光催化等，无不与光化学过程相关。近年来得到广泛重视同位素与相同元素光致分离、光控功效体系合成与应用等，更表达了光化学是一个极活跃领域。但从理论与试验技术方面来看，在化学各领域中，光化学还很不成熟。,5/75,光化学反应,是由原子、分子、自由基或离子吸收光子所引发化学改变。光化学反应不一样于热化学反应：,第一，光化学反应活化主要是经过分子吸收一定波长光来实现，而热化学反应活化主要是分子从环境中吸收热能而实现。光化学反应受温度影响小，有些反应与温度无关。,第二，普通而言，光活化分子与热活化分子电子分布及构型有很大不一样，光激发态分子实际上是基态分子电子异构体。,第三，被光激发分子含有较高能量，能够得到高内能产物，如自由基、双自由基等。第四，光化学反应普通速度很快，反应极难发生平衡，故惯用反应速率常数代替平衡常数来说明光化学反应能力。,6/75,1.2 光化学定律,光化学第一定律,光化学第一定律又称格罗杜斯-德拉波（Grotthus-Draper）定律，其内容为：只有被体系内分子吸收光，才能有效地引发该体系分子发生光化学反应。,此定律即使是定性，但却是近代光化学主要基础。比如理论上只需284.5kJmol能量就能够使H,2,0分解，这相当于420 nm光子能量，似乎只需可见光就能够了。但实际上在通常情况下H,2,0并不被光解，原因是H,2,0不吸收波长为420nm光。H,2,0最大吸收在50008000 nm和0 nm两个频段。所以，可见光和近紫外光都不能使H,2,0分解。,7/75,光化学第二定律,此定律又称为Einstein光化当量定律，是爱因斯坦在1905年提出，内容为：在光化学反应初级过程中，被活化分子数(或原子数)等于吸收光量子数，或者说分子对光吸收是单光子过程，即,光化学反应初级过程是由分子吸收光子开始。,8/75,光子能量与化学键能关系,只有当激发态分子(活化分子)能量足够使分子内最弱化学键断裂时，才能引发化学反应，即说明光化学反应中，旧键断裂与新键生成都与光子能量相关。,依据Einstein公式，1摩尔分子吸收1摩尔光子总能量为：,E=N,0,h=N,0,hc/=1.196 10,5,/(kJ/mol),利用此公式能够从化学键能计算其对应波长。,9/75,1.3 光化学反应过程,光化学初级过程和次级过程,化学物种(分子、原子等)吸收光量子后，可产生光化学反应初级过程和次级过程。,初级过程包含化学物种吸收光能形成激发态物种及该激发态可能发生反应，其基本步骤为：,A+hv A*,式中 A*物种A激发态；,hv 光量子。,10/75,随即激发态A*可能发生以下几个反应：,辐射跃迁：A*A hv（荧光、磷光）（1）,碰撞去活化：A*+M A+M (2),光解离：A*B1+B2+(3),与其它分子反应：A*+C D1+D2+.(4),其中，（1）、（2）为光物理过程，前者为激发态物种经过辐射荧光或磷光而失活，后者为激发态物种经过与其它分子M碰撞，将能量传递给M，本身又回到基态，亦即碰撞失活。,式（3）和（4）为光化学过程，前者为光离解，即激发态物种离解成为两个或两个以上新物种。后者为A*与其它分子反应生成新物种。对大气环境化学来说，光化学过程更为主要。激发态物种会在什么条件下离解为新物种，以及与什么物种反应可产生新物种，对于描述大气污染在光作用下转化规律尤为主要。,11/75,次级过程,是指在初级过程中激发态物种分解而产生了自由基，自由基引发深入反应过程。如氯化氢光化学反应过程：,HCl hv H Cl （激发光离解）（5）,H HCl H2 Cl （反应物与生成物反应）（6）,Cl Cl Cl2 （生成物之间反应）(7),其中，式（5）为初级过程，式（6）(7)（8）为次级过程。,12/75,在对流层气相中初级光化学过程主要类型有,：,光解,一个分子吸收一个光量子辐射能时，假如所吸收能量等于或大于键离解能，则发生键断裂，产生原子或自由基，它们能够经过次级过程进行热反应。这类反应在大气中很主要，光解产生自由基及原子往往是大气中OH、HO,2,、和RO,2,等主要起源。对流层清洁和污染大气中、平流层大气中主要化学反应都与这些自由基或原子反应相关。,13/75,比如：在430 nm波长作用下，NO,2,光解离产生是电子基态产物：,NO,2,hv NO O（,3,P）,O（,3,P）为三重态即基态原子氧，在一个大气压下空气中O（,3,P）会马上发生发应：,O（3P）O,2,O,3,这个反应是对流层大气中唯一已知O,3,人为起源。,14/75,分子内重排,在一定条件下，化合物在吸收光量子后能够引发分子内重排。,比如：邻硝基苯甲醛在蒸汽、溶液或固相中光解,15/75,光异构化,气相中一些有机化合物吸收光能后，发生异构化反应，如：,光二聚合,一些有机化合物在光作用下发生聚合反应，生成二聚体。如光取向膜用材料研制。,16/75,在双分子光化学过程中，氢摘取是较为主要反应，它们有可能发生在液相表面或水滴中。,氢提取,羰基化合物吸收光能形成激发态后，在有氢原子供体存在时，轻易发生分子间氢提取反应，如,17/75,光敏化反应,光敏化反应是指，有些化合物能够吸收光能，但本身并不参加反应，而把能量转移给另一化合物使之成为激发态参加反应。吸光物质称为光敏剂（S），接收能量化合物称为受体（A）。光敏化反应可表示为：,S（S,0,）hv S（S,1,）,S（S,1,）S（T,1,）,S（T,1,）A（S,0,）S（S,0,）A（T,1,）,A（T,1,）参加反应,上述化学过程以光解最为主要，此过程可生成反应性极强碎片，从而引发一系列化学反应。,18/75,1.4 大气中主要气体光吸收,因为高层大气中氧和臭氧近乎完全吸收了波长290 nm紫外辐射，所以，低层大气中污染物主要吸收波长300700 nm(相当于398167kJmol能量)范围光线。迄今为止，已知比较主要吸收光后能进行光解污染物主要有：NO,2,、O,3,、SO,2,、HONO、H,2,O,2,、RONO,2,、RONO、RCHO、RCOR等。,19/75,表10.1 主要气体光吸收特征波段,气体,主要光吸收带,NO,2,290,410nm,SO,2,340,400nm,240,330nm,180-240,O,3,200,300nm,300,360nm,最强吸收在,254nm,HONO,300,400nm,HCHO,290,360nm,20/75,NO,2,是城市大气中最主要吸光物质,。在低层大气中，它能吸收全部来自太阳紫外光和部分可见光。NO,2,在290410nm内有连续吸收光谱。,波长在300370 nm之间有90NO,2,吸收光子分解为NO和O；波长370nm，光解反应就很快下降；420nm，就不再发生光解。这是因为NO和O之间键能为3054kJmol，相当于400nm左右光波所提供能量。即吸收光波长420 nm时，NO,2,可发生光解：,NO,2,hv NO O,O O,2,O,3,21/75,O,3,光吸收特征,紫外区有两个吸收带200300nm和300360nm，最强吸收在254nm，主要发生在平流层，因为臭氧吸收，控制了抵达对流层辐射短波长极限。可见光区还有一个吸收带，波长为450850nm这个吸收是很弱。O,3,吸收紫外光后发生光解反应：,O,3,hv O O,2,当波长290nm，O,3,对光吸收就相当弱了。所以O,3,主要吸收来自太阳波长290nm紫外光。产物是否为激发态则取决于激发能(吸收光能)。在200320nm之间O,3,光解生成两个产物都处于激发态；而320440nm之间(O,3,光解反应发生了自旋跃迁(O为3P态)；450850nm之间O,3,光解产物都为基态。,22/75,SO,2,光吸收特征,在SO,2,吸收光谱中有三条吸收带。第一条为340400nm，于370nm处有一强吸收，但它是一个极弱吸收区。第二条为240330nm，是个较强吸收区。第三条从240nm开始，随波长下降吸收变得很强，直到180nm，是一个很强吸收区。,SO和O之间键能为564.8kJmol，相当于218nm光波能量，所以240400nm光不能使其离解，即在对流层大气中，SO,2,光吸收并不发生光解反应，而是形成二种激发态SO,2,*,。,SO,2,hv,3,SO（三重态）,或 SO,2,hv,1,SO,2,（单重态）,23/75,HONO(亚硝酸)光吸收特征,HONO是对流层大气中除NO2之外第二个主要吸光物质，它能够强烈吸收300400nm范围光谱，并发生光解，一个初级过程为：,HONO hv HO NO,这是对流层大气中HO自由基主要起源。,另一个初级过程为：,HONO hv H NO,2,次级过程为：,HO NO HNO,2,HO HNO,2,H,2,O NO,2,HO NO,2,HNO,3,24/75,HCHO光吸收特征,HCHO也是对流层大气中主要吸光物质，它能吸收290360nm波长范围内光、并进行光解，初级过程为：,HCHO hv H HCO,HCHO hv H,2,CO,次级过程为：,HO HCO H,2,CO,2H M H,2,M,2HCO H,2,2CO,25/75,在对流层中，因为O,2,存在，初级过程生成HCO和H自由基很快与O,2,反应形成HO,2,即：,H O,2,HO,2,HCO O,2,HO,2,CO,其它醛类光解也能够一样方式生成HO2自由基，如乙醛光解：,CH,3,CHO hv H CH,3,CO,H O2 HO,2,所以醛类光解是大气中HO,2,自由基主要起源。,26/75,过氧化物光吸收性,过氧化物ROOR在300700nm范围内有微弱吸收，过氧化物中OO键能为143kJmol，CO键能为350kJmol，R中CC键能为344kJmol，CH键能为415kJmol，所以过氧化物发生光解反应以下：,ROOR hv RO RO,由此可见，大气中光化学反应(光解离)产物主要为自由基。因为自由基存在，使大气中化学反应活跃，它们能诱发或参加大量其它反应，使一次污染物转变成二次污染物。,27/75,1.5 光化学烟雾,大气中烃和NOx等为一污染物，在太阳光中紫外线照射下能发生化学反应，衍生种种二次污染物。由一次污染物和二次污染物混合物（气体和颗粒物）所形成烟雾污染现象，称为光化学烟雾。NOx是这种烟雾主要成份，又因其1946年首次出现在美国洛杉矶，所以又叫洛杉矶型烟雾，以区分于煤烟烟雾（伦敦型烟雾）。,28/75,这种洛杉矶型烟雾是由汽车尾气所引发，而日光在其中起了主要作用：,2NO+O,2,2NO,2,NO,2,NO+O,O+O,2,O,3,NO,2,光分解成NO和氧原子时，光化学烟雾循环就开始了。原子氧会和氧分子反应生成臭氧(O,3,)，O,3,是一个强氧化剂，O,3,与烃类发生一系列复杂化学反应，其产物中有烟雾和刺激眼睛物质，如醛类、酮类等物质。在此过程中，NO,2,还会形成另一类刺激性强烈物质如PAN（硝酸过氧化乙酰）。另外，烃类中一些挥发性小氧化物会凝结成气溶胶液滴而降低能见度。,29/75,当前对控制光化学烟雾主要对策有：,（1）控制污染源 即控制NOx及烃浓度，使浓度符合大气质量标准要求。如改进汽车发动机结构与工作状态以降低燃料消耗、降低有害气体排放，安装尾气催化转化器以使尾气无害化等等。,（2）采取清洁能源 如使用氢作为发动机燃料，利用氢氧燃料电池供电来驱动运输工具（电动车），利用电磁感应方法推进火车（超导悬浮列车）等。,30/75,（3）使用化学抑制剂 目标使消除自由基，以抑制链式反应进行，从而控制光化学烟雾形成。人们发觉二乙基羟胺、苯胺、二苯胺、酚等对产生自由基有不一样程度抑制作用，尤其是二乙基羟胺对光化学烟雾有很好抑制作用。但抑制剂可能造成新污染，许多科学家对此方法持有不一样意见。,31/75,2.太阳能及其转化,32/75,2.1 太阳能概述,2.2 太阳能利用(热能转换、电能转化、化学转化、氢能转化、生物质能转化和机械能转换等方式),33/75,2.1 太阳能概述,太阳能是太阳内部连续不停核聚变反应过程产生能量。尽管太阳辐射到地球大气层能量仅为其总辐射能量（约为3.751026 W）22亿分之一，太阳每秒钟照射到地球上能量相当于500万吨煤。地球上风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是起源于太阳；即使是地球上化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来太阳能。,34/75,因为太阳内部连续进行着氢聚合成氦核聚变反应，所以不停地释放出巨大能量，并以辐射和对流方式由关键向表面传递热量，温度也从中心向表面逐步降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量同时，每1g质量将亏损0.00729。依据当前太阳产生核能速率估算，其氢储量足够维持600亿年，所以太阳能能够说是用之不竭。,35/75,以下为相关太阳能一些数据：,1.每年照射到地球表面太阳能，预计为1.781017 W/a，约为当前全世界每年所需能量一万多倍。,2.其中有30%之太阳能被反射回太空。,3.约有50%为地球表面吸收后，再重新辐射出去，所以得以维持地球表面温度。,4.约20%太阳能将地表水蒸发成水蒸气，形成云、雨及空气流动(水力和风力由来)，同时也造成海洋表面和底层温差。,5.只有很小百分比(约0.06%)用於进行植物生长所需光合作用，太阳能被转化储存在植物体内碳氢化合物化学能。,36/75,太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可无偿使用，又无需运输，对环境无任何污染。,但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种原因（季节、地点、气候等）影响，不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能有效利用。,37/75,太阳能利用优点,1、普遍性：太阳光照射面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不一样而造成光能有异，但最少不会被少数国家或地域垄断，造成无谓能源危机。,2、永久性：太阳能量极其庞大，科学家计算出最少有六百万年期限，对于人类而言，这么时间可谓是无限。,3、无污染性：现今使用最多矿物能源，其滋生问题不外是废物处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危险性及污染性。,太阳能利用缺点,1、稳定性差：受日夜季候影响，太阳能不停地生改变。,2、装置成本过高：吸收太阳能受光面积须达一定规模方有效果，所以相对地成本提升。,3、污染问题：有些人针对太阳能污染问题提出“目视污染”，即庞大太阳能搜集器造成视觉上污染。,38/75,2.2 太阳能利用(热能转换、电能转化、化学转化、氢能转化、生物质能转化和机械能转换等方式),39/75,光热转换,光热转换即靠各种集热器把太阳能搜集起来，用搜集到热能为人类服务。早期最广泛太阳能应用是将水加热，现今全世界已经有数百万个太阳能热水装置。太阳能热水系统主要包含搜集器、储存装置及循环管路三部分。,40/75,太阳能光热转换是当前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛形式。,其基本原理是将太阳辐射能搜集起来利用温室效应来加热物体而取得热能，如地膜、大棚、温室等。当前使用较多太阳能搜集装置有两种：一个是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一个是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。,41/75,山东德州经济开发区袁桥乡庄科村建起了村集体太阳能浴室,42/75,1、按传热介质分类：可分为液体集热器和空气集热器两大类，其中以液体为传热介质大多用水作介质，即组成各种太阳能热水器；以空气为传热介质，则组成各种太阳能干燥器。太阳能集热器关键是吸热板，它功效是吸收太阳辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板向阳表面涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质太阳能集热器吸热板结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。,太阳能集热器分类：,43/75,2、按采光方式分类：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器 两大类。,非聚光式集热器是利用热箱原理（也称温室效应）将太阳能转变为内能设备。最常见太阳能集热器是非聚光式平板型集热器。它吸热体基本上为平板形状，吸热面积与采光面积近似相等，其结构如图（a）是利用温室效应非聚光型集热器。在温室充入CO,2,可提升温室效应。,聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线反射和折射原理，采取反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集集中照射在吸热体较小面积上，增大单位面积辐射强度，从而使集热器取得更高温度。世界上最大一面太阳能聚光集热器是法国比利牛斯山坡上太阳能高温炉。它抛物面聚光反射镜有9层楼高，面积有1830米,2,，它是由9500块小镜片拼接而成。反射镜把安装在对面山坡上63块巨型平面镜反射过来阳光聚焦，焦点处安装高温熔炉，温度可达4000度以上。,44/75,3、按吸热体周围状态分类：可分为普通集热器和真空管集热器。,真空管集热器是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定真空度，以抑制空气对流和传导热损。吸热体表面镀上一个特殊涂层代替黑色吸热板，还可抑制吸热体辐射热损。所以，真空管集热器含有比普通平板型集热器更优良热性能。在高温和低温环境下都有较高集热效率。真空管集热器按其材料结构可分为全玻璃型和金属吸热体型两大类。其中全玻璃真空太阳能集热管含有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及整年使用时间长等优良特征，同时制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较低，全玻璃真空管热水器使用日益广泛。,45/75,光电转换,光电转换即将太阳能转换成电能。当前，太阳能用于发电路径有二：一是热发电，就是先用聚热器把太阳能变成热能，再经过汽轮机将热能转变为电能；二是光发电，就是利用太阳能电池光电效应，将太阳能直接转变为电能。图为利用太阳能电池提供动力太阳能飞机。,46/75,光伏板组件,是一个暴露在阳光下便会产生直流电发电装置，由几乎全部以半导体物料(比如硅)制成薄身固体光伏电池组成。因为没有活动部分，故能够长时间操作而不会造成任何损耗。简单光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。光伏板组件能够制成不一样形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物光伏系统。,47/75,现在，太阳能利用还不很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低问题，不过太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。,当前对於降低太阳能电池价格发展分成两个方向，一边是致力於光线获取并增加转换效率，另一边则是专注於制造更当代高效率电池，开发更廉价物质或降低制程成本。当前，全球最大屋顶太阳能面板系统位于德国南部比兹塔特(Buerstadt)，面积为四万平方米，每年发电量为450万千瓦。日本为了达成京都议定书二氧化碳减量要求，全日本都普设太阳能光电板，位于日本中部长野县饭田市，居民在屋顶设置太阳能光电板比率甚至达2%，堪称日本第一。,48/75,我国太阳能光电技术自70年代以来，经过“六五”“七五”、“八五”三个五年计划攻关，有了一定发展，但比起太阳能热水器产业显得势单力薄。现有光电生产厂家6家，年生 产能力为44.4MW，实际销量为2.02.5MW，平均以1520%速度增加。产品主要为 单晶硅光电池和非晶硅电池，其它类型光电池当前还处于研制阶段。单晶硅太阳电池转换 效率已达14%，试验室最高为20%，组件制造成本3035元/W，售价4248元/W。单结非晶硅太阳电池稳定效率58.5%，试验室最高效率为8.35%，制造成本3元/W，售价 为24元/W。,当前为止，我国太阳能光电系统总安装容量在10MW.p以上，多数用于交通信号、通信和 阴极保护等方面，约占60%以上，其余用于我国西部阳光资源丰富边远地域。,49/75,1.当前太阳能电池种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等电池。,2.电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。,光电转换利用太阳能形式：,50/75,光化转换,光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其它能量。我们知道，植物靠叶绿素把光能转化成化学能，实现本身生长与繁衍，若能揭示光化转换奥秘，便可实现人造叶绿素发电。当前，太阳能光化转换正在主动探索、研究中。,51/75,70年代科学家发觉：在阳光辐照下TiO,2,之类宽频带间隙半导体，可对水电解提供所需能 量，并析出O,2,和H,2,，从而在太阳能转换领域产生了一门新兴学科-光电化学。伴随光 电化学及光伏技术和各种半导体电极试验发展，使得太阳能制氢成为发展氢能产业最正确 选择。,52/75,1995年，美国科学家利用光电化学转换中半导体/电介质界面产生隔栅电压，经过固定两 个光粒子床方法，来处理水光催化分离问题取得成功。其两个光粒子床概 念光电化学水分解机制为：,H,2,光反应4H,2,O+4M2H,2,+4OH,-,+4M,+,O,2,光反应4OH,-,+M,+,O,2,+2H,2,O+4M,净结果为：2H,2,O2H,2,+O,2,(其中M为氧化还原介质),53/75,在太阳能制氢产业方面，1990年德国建成一座500kW太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成 发电能力为350kW太阳能制氢厂。印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4 800万美元，在每年有300个晴天塔尔沙漠中建造一座500kW太阳能电站制氢，用光伏-电解 系统制得氢。自90年代以来，德、英、日、美等国已投资主动进行氢能汽车开发。美 国佛罗里达太阳能中心研究太阳能制氢(SH)已达10年之久，最近用SH作为汽车燃料-压缩天 然气一个添加剂，使SH在高价值利用方面取得成功，为氢燃料汽车实用化 提供了主要基础。其它，在对重量十分敏感航天、航空领域以及氢燃料电池和日常生活中“贮氢水箱”应用等方面氢能都将取得尤其青睐。,54/75,生物质能,生物质能是由植物光合作用固定于地球上太阳能，最有可能成为21世纪主要新能源之一。据预计，植物每年贮存能量约相当于世界主要燃料消耗10倍；而作为能源利用量还不到其总量l%。这些未加以利用生物质，为完成自然界碳循环，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中。生物质燃烧是传统利用方式，不但热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。经过生物质能转换技术能够高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替换煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而降低对矿物能源依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成污染。,55/75,1、经过光合作用使太阳能吸收和储存在生物质内经过化学和生物处理，制成液体或固体燃料。,2、将糖类作物、谷物和植物纤维作原料，生产燃料酒精，渗到汽油中合成酒精汽油，比如巴西已从甘蔗中提炼酒精和汽油合成汽车用油。、,3、发展薪炭林。烧炭是一个古老生物能利用方式，若有计划植林，不但可作燃料以及作为酒精沼气原料，而且还能保护环境，预防水土流失。,4、将高等有机废物进行分解，在厌氧微生物作用下，可产生沼气。,5、尚在研究利用藻类和一些微生物光合作用，在阳光下分解制氢，提供燃料。,生物转换利用太阳能方式：,56/75,生物质能源将成为未来连续能源主要部分，到年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。光合作用即利用空气中二氧化碳和土壤中水，将吸收太阳能转换为碳水化合物和氧气过程，光合作用是生命活动中关键过程，植物光合作用简单过程以下：,水+二氧化碳,太阳能,-,植物,有机体+氧,57/75,生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中一个能量形式，一个以生物质为载体能量，它直接或间接地起源于植物光合作用。,据预计地球上每年植物光合作用固定碳达210,11,t，含能量310,21,J，所以每年经过光合作用贮存在植物枝、茎、叶中太阳能，相当于全世界每年耗能量10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上植物，每年生产量就像当于当前人类消耗矿物能20倍，或相当于世界现有些人口食物能量160倍。即使不一样国家单位面积生物质产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式生物质，生物质能是热能起源，为人类提供了基本燃料。,58/75,国外生物质能技术发展情况,生物质能源开发利用早已引发世界各国政府和科学家关注。有许多国家都制订了对应开发研究计划，在日本阳光计划、印度绿色能源工程、美国能源农场和巴西酒精能源计划等发展计划。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自研究与开发，并形成了各具特色生物质能源研究与开发体系，拥有各自技术优势。,59/75,沼气技术,主要为厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水，是发展较早生物质能利用技术。80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料。如印度和中国家用沼气池；而发达国家则主要发展厌氧技术，处理禽畜粪便和高浓度有机废水。当前，日本、丹麦、荷兰、德国、法国、美国等发达国家均普遍采取厌氧法处理禽畜粪便，而象印度、菲律宾、泰国等发展中国家也建设了大中型沼气工程处理禽畜粪便应用示范工程。采取新自循环厌氧技术。荷兰IC企业已使啤酒废水厌氧处理产气率到达10m,3,/m,3,.d水平，从而大大节约了投资、运行成本和占地面积。,60/75,美国、英国、意大利等发达国家将沼气技术主要用于处理垃圾，美国纽约斯塔藤垃圾处理站投资万美元，采取湿法处理垃圾，日产26万m,3,沼气，用于发电、回收肥料，效益可观，预计10年可收回全部投资。英国以垃圾为原料实现沼气发电18MW，今后10年内还将投资1.5亿英镑，建造更多垃圾沼气发电厂。,61/75,生物质热裂解气化,早在70年代，一些发达国家，如美国、日本、加拿大、欧共体诸国，就开始了以生物质热裂解气化技术研究与开发，到80年代，美国就有19家企业和研究机构从事生物质热裂解气化技术研究与开发；加拿大12个大学试验室在开展生物质热裂解气化技术研究；另外，菲律宾、马来西亚、印度、印尼等发展明家也先生开展了这方面研究。芬兰坦佩雷电力企业开始在瑞典建立一座废木材气化发电厂，装机容量为60MW,产热65MW,1996年运行：瑞典能源中心取得世界银行贷款，计划在巴西建一座装机容量为20-3OMW发电厂，利用生物质气化、联合循环发电等先进技术处理当地丰富蔗渣资源。,62/75,生物质液体燃料,另一项令人关注技术，因为生物质液体燃料，包含乙醇、植物油等，能够作为清洁燃料直接代替汽油等石油燃料。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色国家，70年代中期，为了摆脱对进口石油过分依赖，实施了世界上规模最大乙醇开发计划，到1991年，乙醇产量到达130亿升，在980万辆汽车中，近400万辆为纯乙醇汽车，其余大部分燃用20%乙醇-汽油混合燃料，也就是说乙醇燃料已占汽车燃料消费量50%以上。1996年，美国可再生资源试验室已研究开发出利用纤维素废料生产酒精技术，由美国哈斯科尔工业集团企业建立了一个1MW稻壳发电示范工程：年处理稻壳12，000吨，年发电量800万度，年产酒精2，500吨，含有显著经济效益。,63/75,其它技术,另外,生物质压缩技术可书固体农林废弃物压缩成型,制成可代替煤炭压块燃料。如美国曾开发了生物质颗粒成型燃料：泰国、菲律宾和马来西亚等第三世界国家发展了棒状成型燃料。,64/75,我国生物质能源,我国基本上是一个农业国家农村人口占总人口70%以上，生物质一直是农村主要能源之一，在国家能源组成中也占有益要地位。,生物质能资源,：我国现有森林、草原和耕地面积41.4亿公顷，理论上生物质资源理可达650亿吨/年以上（在但第平方公里土地面积上，植物经过光合作用而产生有机碳量，每年约为158吨）。以平均热值为15,000千焦/千克计算，折合理论资源最为33亿标准煤，相当于我国当前年总能耗3倍以上.,65/75,实际上，当前能够作为能源利用生物质主要包含秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾和有机废渣废水等。据调查，当前我国秸秆资源量已超出7.2亿吨,约3.6亿吨标准煤，除约1.2亿吨作为饲料、造纸、纺织和建材等用途外其余6亿吨可作为能源用途：薪柴起源主要为林业采伐、育林修剪和薪炭林，一项调查表明：我国年均薪柴产量约为1.27亿吨，折合标准煤0.74亿吨：禽畜粪便资源量约1.3亿吨标准煤；城市垃圾量生产量约1.2亿吨左右，并以每年8%-10%速度增，据估算，我国可开发生物质能资源总量约7亿吨标准煤。,66/75,生物质能源和利用,我国生物质能源利用绝大部分用于农村生活能源，极少部分用于乡镇企业工业生产：而利用方式长久来一直以直接燃烧为主，只是近年来才开始采取新技术利用生物质能源，但规模较小。普及程度较低，在国家，甚至农村能源结构中占有极小百分比。,生物质直接燃烧方式不但热效率低下，而且大量烟尘和余灰排放使人们居住和生活环境日益恶化，严重损害了妇女、儿童身心健康。另外，还对生态、社会和经济造成极其不利影响,67/75,改进能源结构，减轻对对环境压力。我国可开发生物资源达7亿吨，假如能充分开发，能够在我中国能源消费中占主要地方，这对改进我国能源结构，降低我国对石化燃料依赖，进而降低我国CO2和SO2等污染物排放，最终缓解能源消耗给环境造成压力有主要意义。,68/75,其它形式太阳能,风能,风是由太阳辐射引发。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不一样，产生温差，从而引发大气对流运动形成风。据预计抵达地球太阳能中即使只有大约2转化为风能，但其总量仍是十分可观。全球风能约为2.7410,9,MW，其中可利用风能为210,7,MW，比地球上可开发利用水能总量还要大10倍。全世界每年燃烧煤炭得到能量，还不到风力在同一时间内所提供给我们能量1。可见，风能是地球上主要能源之一。,69/75,风能与其它能源相比，现有其显著优点，又有其突出不足。风能含有四大优点和三大弱点。,四大优点是：（1）蕴量巨大；（2）能够再生；（3）分布广泛；（4）没有污染。,三大弱点是：（1）能量密度低；（2）稳定性差；（3）地域差异大,70/75,71/75,地热能,地热能是来自地球深处可再生热能。它起源于地球熔融岩浆和放射性物质衰变。地下水深处循环和来自极深处岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出热蒸气和水而抵达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。经过钻井，这些热能能够从地下储层引入水池、房间、温室和发电站。其储量比当前人们所利用总量多很多倍，而且集中分布在结构板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。,地热能在世界很多地域应用相当广泛。老技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，而且在不停地完善。在能源开发和技术转让方面，未来发展潜力相当大。,72/75,潮汐能,潮汐能是指海水潮涨和潮落形成水势能。海水涨落潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间相互作用而引发。在海洋中，月球引力使地球向月面和背月面水位升高。因为地球旋转，这种水位上升以周期为12h25min和振幅小于1m深海波浪形式由东向西传输。太阳引力作用与此相同，不过作用力小些，其周期为12h。当太阳、月球和地球在一条直线上时，就产生大潮；当它们成直角时，就产生小潮。潮汐能能量与潮量和潮差成正比。或者说，与潮差平方和水库面积成正比。世界上潮差较大值约为1315m，但普通说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。,73/75,江厦潮汐发电站,74/75,到当前为止，我国正在运行发电潮汐电站共有8座：浙江乐清湾江厦潮汐试验电站、海山潮汐电站、沙山潮汐电站，山东乳山县白沙口潮汐电站，浙江象山县岳浦潮汐电站，江苏太仓县浏河潮汐电站，广西饮州湾果子山潮汐电站，福建平潭县幸福洋潮汐电站等。,以上8座潮汐电站总装机容量为6000千瓦，年发电量1000万余度。我国潮汐发电量，仅次于法国、加拿大，居世界第三位。,75/75,