太阳能的使用..生化分析课程作业 太阳能的利用 引  言 能源与社会的进步和国民经济的发展有着密切关系。随着经济的增长和技术的进步、人口的增加，对能源的需求量越来越大。《世界能源展望》报告显示， 从现在到2030年，世界能源需求量将增加三分之二，煤、石油、天然气等常规能源由于储量的有限性和不可再生性已不能满足日益增长的需要[1]。当今世界的能源问题已变得十分尖锐。在这种情况下，必须重视可再生能源的利用和发展。 太阳能是一个巨大无比的能源，辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW，相当于每分种就有相当于300亿桶石油所含的能量...

　　生化分析课程作业 太阳能的利用 引  言 能源与社会的进步和国民经济的发展有着密切关系。随着经济的增长和技术的进步、人口的增加，对能源的需求量越来越大。《世界能源展望》

　　显示， 从现在到2030年，世界能源需求量将增加三分之二，煤、石油、天然气等常规能源由于储量的有限性和不可再生性已不能满足日益增长的需要[1]。当今世界的能源问题已变得十分尖锐。在这种情况下，必须重视可再生能源的利用和发展。 太阳能是一个巨大无比的能源，辐射到达地球

　　面的能量高达4×1015MW，相当于每分种就有相当于300亿桶石油所含的能量，约为全球能耗的2000倍[2]。太阳能作为一种可再生的新能源，具有清洁、环保、持续、长久的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。 目前，人们在对太阳能的转换、收集、储存运输等方面的应用研究，正在取得显著的进展。太阳能的利用主要是通过光热转换、光电转换、光化学转换、光生物转换4种途径[3]。为了充分有效地利用太阳能，人们发展了多种太阳能材料。按性能和用途大体上可分为光热转换材料，光电转换材料，光化学能转换材料和光能调控变色材料等[4]。由此而形成太阳能光热利用，光电利用，光化学能利用和太阳能光能调控等相应技术。 1 太阳能的光热转换 太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25-2.5μm范围内。从光热效应来说，太阳光谱中只有红外波段直接产生热效应，而绝大部分不能直接产生热量。要实现最佳的太阳能热转换，所采用的吸收材料必须满足以下两个条件：1.在太阳光谱内吸收光线程度高，即有尽量高的吸收率；2.在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即有尽可能低的发射率。 太阳能吸收涂层的构造基本上分为两个部份：红外反射底层 (铜、铝等高红外反射比金属) 和太阳光谱吸收层 ( 金属化合物或金属复合材料) 。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5μm) 附近产生强烈的吸收，在红外波段则自由透过，并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。 太阳能选择性吸收涂层的制备方法有涂漆法、水溶液化学转化法、溶胶凝 胶法、电化学沉积法（电镀和阳极氧化法）、气相沉积法（物理气相沉积 PVD 和化学气相沉积法 CVD）和真空镀膜法（真空蒸发和溅射沉积）等[5]。得到广泛应用的太阳能吸热涂层主要有：磁控溅射涂层，选择性阳极氧化涂层，这些涂层应具有使用寿命长，生产成本低、增加太阳光透射率、减少太阳光反射损失的特点。对于太阳能的光热转换，更高效、低成本的涂层的研发无疑是研究热点[6]。 1.1 太阳能光热转换主要的应用技术-太阳能热水器 太阳能热水器  (Solar water heater)指的是以太阳辐射作为能源进行加热的热水器。其原理是将太阳光辐射转化为热能，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水需求。 太阳能热水器主要由真空集热管、保温水箱、支架、连接管道及相关附件组成。将太阳能转换成热能主要是依靠集热器(集热管) 集热管上表面受阳光照射温度高，集热管背阳面温度低，使管内储水产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使储水产生微循环从而达到加热水箱储水的目的。图1.1为太阳能热水器的简单工作原理示意图[7]。 Fig l.1  Principle diagram and working Principle diagram of solar water heater 在太阳能热水器中，高性能的真空管集热器的开发是目前太阳能热水器技术的研究热点，而真空集热管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。目前在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。我国太阳能热水器市场还远没有开发出来，热水器的户用比例只有 3%，与日本的 20%和以色列的 80%相比相差甚远。笔者认为大力开发高性能的选择性吸收涂层材料，完善热水器的光-热转换效率、降低热水器的成本，是当今太阳能热水器开发和利用的必行之路。同时，政府颁布相应的鼓励政策，减少不可再生能源在取暖、取热方面的利用，鼓励人们采用热水器作为的取暖设备。 1.2 太阳能光热转换主要的应用技术-太阳能建筑、太阳房 太阳房是直接利用太阳辐射能的重要方式。把房屋看作一个集热器，通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，达到房屋采暖目的。太阳房概念与建筑结合形成了“太阳能建筑”技术领域，成为太阳能界和建筑界共同关心的热点。太阳房可以节约 75%～90%的能耗，并具有良好的环境效益和经济效益，成为各国太阳能利用技术的重要方面。在太阳房技术和应用方面，欧洲处于领先地位，特别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。 太阳房平均每平方米建筑面积每年可节约20～40 公斤

　　煤。我国太阳房的发展目前还存在以下问题：太阳房的设计和建造没有和建筑真正结合起来变成建筑师的设计思想和概念，没有纳入建筑

　　和标准。其次是相关的透光隔热材料、带涂层的控光玻璃、节能窗等没有商业化，使太阳房的水平受到限制。图1.2为太阳房的构造简图[8]。 Fig l.2  The solar house structure sketch 2 太阳能的光电转换 太阳能光电转换主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。通常所用的半导体材料是硅、锗和Ⅲ-Ⅴ型化合物等。一般对太阳能半导体有如下要求：要充分利用太阳能辐射，即半导体材料的禁带不能太宽，否则太阳能辐射利用率太低；有较高的光电转换效率；材料全球工业化生产且材料性能稳定。能达到这几条要求的主要有锗、硅、砷化镓、硫化铜、锑化镉等。 2.1 太阳能光电转换主要的应用技术-太阳能电池 太阳能电池的基本原理可以用光伏效应来解释，对于硅太阳能电池在P型半导体和N型半导体的连接处存在着一个由P-N结建立的内电场。太阳光照射到半导体上，当光子的能量大于半导体材料的禁带能级宽度时，光子就被材料所吸收并且在材料内部产生电子-空穴对。电子就要向N型一侧转移，空穴就要向P型一侧转移，这时在开路的电极上就能造成一个电压，在闭路时就能形成电流。太 阳光不断的照射，这个电流就不断的产生。对不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。硅太阳能电池的工作原理如图2.1所示。 Fig 2.1  Silicon solar cells work diagram sketch 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。太阳能电池按照结构分为同质结电池、异质结电池、肖特基结电池、复合结太阳能电池、液结太阳能电池等。太阳能电池按照用途又可分为空间太阳能电池、地面太阳能电池、光敏感传感型太能能电池[9]。 下面对于太阳能电池的主要形态和用途进行列举，图2.2、2.3、2.4分别是单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。图2.5为航天太阳电池，图2.6为地面太阳电池。 Fig 2.2  Monocrystalline          Fig 2.3  Polycrystalline        Fig 2.4 Amorphous    silicon solar cells                    silicon solar cells             silicon solar cells Fig 2.5 Space Solar Cells                    Fig 2.6  Terrestrial solar cells                  最近受到国内外科学家高度重视的纳米晶二氧化钛(TiO2)化学能电池，显示了更好的发展前景。这种新型电池以纳米多孔二氧化钛为半导体电极、以过渡金属Ru 以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化-还原电解质。其光电转换效率也达到10%以上，制备成本仅为硅太阳能电池的1/5 - 1/10，寿命能达到20年以上。这类太阳能化学能电池的研制和开发，必将对人类太阳能利用起巨大的促进作用[10]。 从太阳能电池的发展历史来看，材料研究起决定性的作用，每一新材料的出现，都给太阳能电池及太阳能光电利用带来一次变革。随着新材料，新工艺的不断出现，太阳能电池的效率及稳定性等将会得到进一步提高[11]。 3 太阳能的光化学转换 太阳能光化学转换是将太阳光能转换为化学能。光化学转换包括光化学降解和光化学合成，目前研究和应用热点是有机物光化学降解领域。光化学降解分为直接光化学降解和光催化降解。直接光化学反应是有机物分子直接吸收光能造成自身裂解的方式: ，利用太阳光直接光化学降解对有机物有选择性且效率不高，因而应用研究较少。光催化可以将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能、电能，同时可以直接利用低密度的太阳光降解和矿化水和空气中的各种污染物，所以光催化在环境净化和新能源开发方面具有巨大的潜力星空体育。利用光催化可以实现通过热反应得不到的化学反应，通过光强、光波长可控制反应速度和选择性。这一方法可在室温下充分利用太阳光，具有低成本、无污染的优点，对于从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有不可估量的意义。 目前可实用的光催化材料只能利用紫外光，为了高效地利用太阳光，开发可见光响应型新型光催化材料势在必行。因为紫外线nm）则占太阳光能量的43%。一旦在可见光响应光催化材料方面取得突破，其市场前景将不可估量。光催化主要有以下三方面的应用，如图2.7所示。（1）可以利用光激发产生的空穴降解和矿化有害污染物；（2）可以利用光激发产生的电子还原水产生氢气或还原分解污染物；（3）可以利用光激发产生的电子和空穴实现光电池发电。 光催化剂可将环境中的有害物质分解成CO2、H2O等无害物质的

　　和研究成果，当前的研究成果表明可以被光催化处理的有机物可达几百种。然而，绝大多数光催化研究工作是围绕二氧化钛（TiO2）等紫外光响应光催化材料而展开的，因此在光催化可见光转化效率方面受到了基本的限制，因而难以大规模实用化。笔者认为光催化的发展趋势是对于可见光响应的光催化材料的研究，同时高性能的催化材料也必定是今后的研究热点[3]。 Fig 2.7  Various applications of photocatalysis 4 太阳能的光生物转换 太阳能光化学转换是将太阳光能转换为生物质能。生物质能也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量形式，直接或间接地来源于植物的光合作用 地球上每年经光合作用产物所蕴含的能量相当于全世界能耗总量的10～20倍，但目前利用率不到3%[12]。 4.1 太阳能生物转换主要的应用技术-光合作用 光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和暗反应，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。 光合作用主要的原理如图2.8所示，叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为葡萄糖，同时释放氧气。 光合作用的意义在于：⒈一切生物体和人类物质的来源（所需有机物最终由绿色植物提供）。⒉一切生物体和人类能量的来源（地球上大多数能量都来自太阳能）。⒊一切生物体和人类氧气的来源（使大气中氧气、二氧化碳的含量相对或绝对稳定）。 当前对于光合作用的研究主要为合成生物学的兴起，人工设计与合成生物代谢反应链、人工模拟光合作用的实现环境和实现过程；通过生物仿真技术和人工合成技术，将使光合作用技术开发在太阳能产业领域带来一场变革[13]。 Fig 2.8  Various applications of photocatalysis 4.2 太阳能生物转换主要的应用技术-生物制氢 生物制氢技术可在常温常压下进行，反应条件温和，能耗低，能妥善解决能源与环境的矛盾，已成为国际能源领域的研究热点。生物制氢技术可在常温常压下进行，反应条件温和，能耗低，能妥善解决能源与环境的矛盾，已成为国际能源领域的研究热点。 生物制氢主要包括: 藻类(直接或者间接)利用光能光解水制氢；厌氧细菌在黑暗条件下分解有机物的厌氧细菌制氢 (暗发酵)；光合细菌在光照条件下分解有机物的光合细菌制氢 (光发酵)；以及厌氧一光合细菌偶联生物制氢等多种方法。本文主要对藻类光解水制氢进行介绍。 绿藻通过体内光合系统将H2O分解为H2和O2，其最大光转化效率为10%。绿藻是目前研究较多的用于光解水制氢的藻类，它含有两个光合系统 (PSI和PSⅡ)，氢代谢全部由氢酶调节。氢气可以由两条代谢途径生成: 一条途径是通过葡萄糖等底物分解代谢产生的还原剂作为电子供体，电子再经过传递链: 电子供体 PSI Fd 氢酶的传递，最后生成H2并伴随CO2放出；另一条是生物光解水产H 2，电子的传递途径是: H2O PSⅡ PSI Fd 氢酶 H 2，同时伴随着O2的生产，具体过程如图2.9所示。生物光解水产氢可以与太阳能转化系统的相关联，其原料水和太阳能来源丰富且价格低廉，是一种理想的制氢方法。但是水分解产生的O2会抑制氢酶的活性，并促进吸氢反应，这是生物光解水制氢中必须解决的问题。从长远的角度看，直接利用太阳能分解水的藻类产氢的技术可能是最具潜力的生物制氢方式。但在目前的技术水平下，该过程尚有众多的技术障碍需要克服，短期内无法实现产业化。 Fig 2.9  Photosynthesis process sketch 5 总结和分析 本文对于太阳能的利用4种转换途径光热转换、光电转换、光化学转换、光生物转换进行了介绍，并对各种途径的典型的应用进行了分析和讨论。对于太阳能的光热转换，制备和开发具有的制备和开发具有使用寿命长，生产成本低、增加太阳光透射率、减少太阳光反射损失的太阳能选择性吸收涂层无疑是研究热点。在太阳能的光热转换应用方面，除了文中介绍的太阳房和太阳能热水器，还有太阳炤、太阳能空调等应用手段。对于太阳能的光电转换，研究新材料及其制备工艺，增加太阳能电池的效率及稳定性仍是当今研究的热点和难点。对于太阳能的光化学转换，笔者认为光催化的发展趋势是对于可见光响应的光催化材料的研究，同时高性能的催化材料也必定是今后的研究热点；如何提高光催化材料的响应波长，从紫外光区提高到可见光区，提高太阳能的光催化效率，也是当今光催化材料研究者亟待解决的问题。对于太阳能的光生物转换，人工模拟光合作用的实现环境和实现过程对于提高粮食产量、解决当今能源问题是一个十分有效的途径。对于生物制氢方面，如何将生物制氢技术工业化并提高光利用效率，提高制氢产率也是制约该技术发展的难点。 参考文献 [1] 邹志刚，赵进才，付贤智，等. 光催化太阳能转换及环境净化材料的现状和发展趋势[Z]. 中国北京·秦皇岛: 20046. [2] 于晓燕，崔爱红. 我国太阳能利用的现状、问题与对策[J]. 科技信息. 2011(03): 53-417. [3] 王建华，吴季平，徐伟. 太阳能应用研究进展[J]. 水电能源科学. 2007(04): 155-158. [4] 孟浩，陈颖健. 我国太阳能利用技术现状及其对策[J]. 中国科技论坛. 2009(05): 96-101. [5] Patt A, Pfenninger S, Lilliestam J. Vulnerability of solar energy infrastructure and output to climate change[J]. Climatic Change. 2013, 121(1): 93-102. [6] 李明，王六玲，马煜. 太阳能热化学能量贮存与转化研究[J]. 太阳能学报. 2008(11): 1359-1362. [7] 胡赛纯，汤青云. 太阳能利用现状与趋势[J]. 湖南城建高等专科学校学报. 2003(01): 47-49. [8] 宋力昕，章俞之. 太阳能利用及太阳能新材料发展状况[C]. 2003. [9] 缪仁杰，李淑兰. 太阳能利用现状与发展前景[J]. 应用能源技术. 2007(05): 28-33. [10] Goswami D Y, Zhao Y, Xiaoren S, et al. Transformation of World Energy Composition and Future of Solar Energy in the 21st Century[M]. Proceedings of ISES World Congress 2007 (Vol. I – Vol. V), Goswami D Y, Zhao Y, Springer Berlin Heidelberg, 2009, 3069-3072. [11] Afgan N H, Carvalho M D G A, Leskinen M. The Use of Solar Energy in a District Heating System in Finland: Case Study of Six District Heating Plants[M]. New and Renewable Technologies for Sustainable Development, Afgan N H, Carvalho M D G A, Springer US, 2002, 313-324. [12] 李旭. 光合细菌（Rhodobacter sphaeroides）生物制氢及其光生物反应器研究[D]. 华东理工大学, 2011. [13] 陈明. 光合细菌利用低分子有机酸产氢的试验研究[D]. 浙江大学, 2008.

　　本文档为【太阳能的使用..】，请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑， 图片更改请在作品中右键图片并更换，文字修改请直接点击文字进行修改，也可以新增和删除文档中的内容。