未来的太阳能怎么发展应用

未来的太阳能怎么发展应用序号：135 作者：罗文强单位：湖南理工学院学号：14121821516摘要：关键词：太阳能电池;氢能开发；人工光合作用0前言:多方向发展太阳能目前国际上能源局势很紧张，且土地资源有限，土地退化严重。

未来的社会需要更多的能源消耗，而太阳能则是一类清洁而大量存在的能源，如何充分利用太阳能，我们需要从多个方面入手，本文主要讲的是以太阳能电池为核心，辐射到个领域的应用。

首先，太阳能电池将大量太阳能转化为电能，可直接将电能用于生活、生产，或通过电池储存起来。

其次，将太阳能电池得到的电能用于电解水产氢气，氢气可以直接用于氢燃料电池，或者将氢气为原料生产液体燃料；将太阳能电池收集的电能及利用其生产的氢气用于人工光合作用，生产糖，解决粮食生产问题。

1未来太阳能电池的发展1.1太阳能电池的发展方向材料与器件结构的研究与开发：对各种太阳能电池材料研究；杂志与缺陷的转换效率及稳定性影响；使用薄膜技术和剥离技术；大规模生产技术的开发。

；跟踪与聚光；储电及并网发电结合；与建筑物结合：架设太阳电池组件；集成在建筑材料商。

1.2几类新的高效太阳能电池电池叠层电池：叠层式电池结构就是要使用不同的禁带宽度的材料来吸收不同波长的光子，这是通过使用多层电池实现的。

每层电池的能带都不同，最高能带的电池位于最高位置，往下能带依次减小，能量高的光子被能带高的电池吸收，能量低的光子被能带低的电池吸收，减少了载流子能带内的能量释放，从而大幅的提高了太阳能电池的效率。

理论上，无限增加太阳能电池的层数，可以获得的极限效率为86．8％多能带电池：标准电池材料的光伏效应基于载流子在价带和导带之间的激发．近年来有所谓多能带结构被提出，就是在导带与价带之间引进额外的能带，多能带电池可以获得比单结电池大的多的转换效率。

不同能量的光子被吸收后可以将电子激发到不同的能带，从而有效的利用了太阳光子的能量。

多激发电子空穴对高能电子-空穴对不是把多余的热量以热能的形式释放出去，而是将这部分能量利用起来去冲击别的电子，以产生更多的电子空穴对，就有可能获得高的转换效率，也称为冲击离子化电池。

2氢能开发2.1太阳能电解水制氢。

电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法，效率较高（75％-85％），但耗电大，用常规电制氢，从能量利用而言得不偿失。

所以，只有当太阳能发电的成本大幅度下降后，才能实现大规模电解水制氢。

2.2太阳能光化学分解水制氢。

这一制氢过程与上述热化学循环制氢有相似之处，在水中添加某种光敏物质作催化剂，增加对阳光中长波光能的吸收，利用光化学反应制氢。

日本有人利用碘对光的敏感性，设计了一套包括光化学、热电反应的综合制氢流程，每小时可产氢97升，效率达10％左右。

2.3生物光合作用制氢。

40多年前发现绿藻在无氧条件下，经太阳光照射可以放出氢气；十多年前又发现，兰绿藻等许多藻类在无氧环境中适应一段时间，在一定条件下都有光合放氢作用。

目前，由于对光合作用和藻类放氢机理了解还不够，藻类放氢的效率很低，要实现工程化产氢还有相当大的距离。

据估计，如藻类光合作用产氢效率提高到10％，则每天每平方米藻类可产氢9克分子，用5万平方公里接受的太阳能，通过光合放氢工程即可满足美国的全部燃料需要。

氢能是一种高品位能源，氢气可以直接用于氢燃料电池，或者者将氢气为原料生产液体燃料。

3氢能或电能驱动人工光合作用固定二氧化碳合成糖3.1人工光合作用的优势光合作用[1]是指植物和光合微生物吸收太阳能，将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程，它包括利用叶绿素吸收太阳能，并将能量转移到NADPH 和ATP 的光反应，和利用NADPH 和ATP 驱动，转化二氧化碳和水，形成碳水化合物的暗反应。

由于化石燃料来自古代植物光合作用[2]，光合作用是当前人类食物和能量的主要来源，因而受到研究者的高度重视。

自然界光合作用效率较低，理论上，植物光合作用最大效率仅为4.6－6.0%[3]，其主要原因包括[3]，第一，叶绿素只能吸收占太阳入射光能量不到一半的400－700 纳米光子；第二，每吸收8 个光子能量，只能产生转化一个分子二氧化碳所需要的2 个NADPH 分子和3 个ATP 分子，即使按照红光光子能量计算，也只有43%的吸收能量转移到NADPH 和ATP 上，由于其他波长较短，能量较高，实际效率更低；第三，植物通过卡尔文循环，每消耗12 摩尔NADPH 和18 摩尔ATP，才能合成1 摩尔葡萄糖，由于1 摩尔葡萄糖氧化，释放的自由能仅为686.8 千卡(高于燃烧释放的能量)，因此，按照自由能计算，卡尔文循环的热力学效率仅为79%。

发展人工光合作用，才能更好地提高效率。

采用光伏电池或光伏产氢获取的能量再生NADPH 和ATP，驱动光合作用暗反应Calvin循环合成糖[4]，可提高光吸收及再生NADPH 的能量效率，从而提高人工光合作用效率，如果实现大规模工业化生产粮食，与传统农业相比，可以大幅度降低土地需要量和水资源消耗。

本文进一步分析综述了由酶催化代谢反应组成的人工光合作用固定二氧化碳，合成碳水化合物途径，只需要电或氢气再生NADH，驱动合成糖，不需要消耗ATP，其中最简单的途径，只需要13 种酶，从而使人工光合作用实现难度显著降低。

如果采用二氧化碳化学加氢合成甲醛，使用甲醛作为原料，只需要使用9 种酶，不需要不稳定的NADH 和ATP，经过11 步反应，就可以合成糖，从而容易实现。

初步估算，我们提出的太阳能驱动人工光合作用固定二氧化碳合成糖的总效率，可达到15－30%以上。

3.2人工光合作用暗反应新途径自然界光合作用暗反应，包括植物的Calvin－Benson 循环，通过Rubisco 酶固定二氧化碳，还原磷酸戊糖循环合成糖[1]；光合微生物发展了5 种固定二氧化碳，合成乙酰辅酶A 的路径[9]，再将乙酰辅酶A 转化为糖。

这些途径均由NAD(P)H 和ATP 共同驱动。

本文提出的人工光合作用新途径，由NADH 单独驱动，将水和二氧化碳合成为糖，如葡萄糖或淀粉，合成1 摩尔葡萄糖只需要12 摩尔NADH，等于植物光合作用暗反应所需要的NADH 数量，与植物光合作用同时还消耗18 摩尔ATP 相比，我们提出的人工光合作用途径，不需要消耗ATP，NADH 可有电解再生或氢气还原再生，由电解再生NADH 时，还与植物一样，同时产生氧气。

我们提出的人工光合作用暗反应途径的总反应如下：2 (C6H10O5)n + 12 CO2 + 12 H2O 12 O2 + 2 (C6H10O5)n+1 (电解)2 (C6H10O5)n + 12 CO2 + 24 H2 2(C6H10O5)n+1 （氢气驱动）图1. 电或氢能驱动固定二氧化碳人工光合作用途径：途径1，磷酸甘油酸缩合途径酶见表1，中间产物：HCOOH，甲酸；HCHO，甲醛；ru5p，5 磷酸核酮糖；hu6p，6 磷酸3 已酮糖；f6p，6 磷酸果糖；f16p，1，6 二磷酸果糖；g3p，3 磷酸甘油醛；gp3，3 磷酸甘油酸；g6p，6 磷酸葡萄糖；g1p，1 磷酸葡萄糖；Gn，直链淀粉；non-oxidative PPP，非氧化磷酸戊糖途径，忽略了无机磷酸，H+和水图1 是第一种氢气驱动人工光合作用途径示意图，总共使用了19 种酶，催化了20 步代谢反应（表1），主要过程如下：（1）氢气还原再生NADH，使用NAD 转氢酶催化，反应式如下：24 NAD+ + 24 H2 --> 24 NADH + 24 H+如果使用电解还原NAD，再生24 摩尔NADH，则反应式如下[10-12]：24 NAD+ + 24 H2O24 NADH + 12 O2 + 24 H+ (electrolysis)（2）由甲酸脱氢酶和甲醛脱氢酶催化，24 摩尔NADH 驱动固定12 摩尔二氧化碳，合成12 摩尔甲醛[13-15]；此外，后续反应产生的NADH 又固定1 摩尔二氧化碳，合成1 摩尔甲醛；总反应式如下：13 CO2 + 26 NADH + 13 H+ 13 HCHO + 26 NAD+（3）由磷酸己糖合成酶催化，将13 摩尔甲醛缩合到13 摩尔磷酸戊糖上，再通过异构酶转化为13 摩尔磷酸果糖[16-17]。

总反应式如下：13 HCHO + 13 ru5p 13 f6p（4）由8 摩尔磷酸果糖和4 摩尔磷酸甘油醛通过磷酸戊糖途径再生合成12 摩尔磷酸戊糖[1]；8 f6p + 4 g3p 12 ru5p（5）使用3 摩尔ATP 驱动3 摩尔磷酸果糖合成3 摩尔二磷酸果糖，然后分解，再生6摩尔磷酸甘油醛[18]，其中4 摩尔用于再生磷酸戊糖，另外2 摩尔用于再生ATP；3 f6p + 3 ATP 6 g3p + 3 ADP（6）二摩尔磷酸甘油醛氧化，再生二摩尔ATP 和NADH，产生2 摩尔磷酸甘油酸[19]；2 g3p+2 Pi+2 ADP+2 NAD+ 2 gp3+ 2 ATP + 2 NADH + 2 H+（7）2 分子磷酸甘油酸偶联，再生一摩尔磷酸戊糖和二氧化碳，并再生另一摩尔ATP[20-21] 2 gp3 + ADP Ru5P + ATP + H2O + CO2（8）二摩尔磷酸果糖转化为磷酸葡萄糖，接续到淀粉链上[1]。

2 f6p + 2 (C6H10O5)n 2 (C6H10O5)n+1 + 2 Pi此前提出的路径[8]是由磷酸甘油醛分解再生ATP，副产乙醇，这使四分之一原料转化为酒精。

虽然乙醇可进一步通过三羧酸循环分解再生NADH，但是，这需要增加13 种酶和4 种辅酶，使系统吸引34 种酶，6 种辅酶，变得很复杂，尤其中间产物增多。

本方法是将2 摩尔磷酸甘油醛水解氧化产生磷酸甘油酸，再生2 摩尔ATP，然后一步缩合磷酸甘油酸再生1 摩尔ATP 和磷酸戊糖（简称磷酸甘油酸缩合途径），从而减少了酶和中间产物数量，使需要的酶数量减少到19 种，加上NADH 和ATP。

图2. 电或氢能驱动固定二氧化碳人工光合作用途径：途径2，二磷酸甘油酸合成途径与二磷酸甘油酸缩合途径不同的酶见表2，中间产物不同图1 的如下：g16p，1，6-二磷酸葡萄糖；ga6p，6-磷酸半乳糖；省略无机磷酸，H+和水。

由于上述方案需要ATP 和各种磷酸脂参与合成糖，它们容易水解，从而消耗起催化作用的中间体，使反应终止，因此，我们提出了一个能够增殖ATP，从而补充各种中间体的新路径，参见图2，与前述途径相比，改变了再生二磷酸果糖途径，主要反应如下：1) 通过二磷酸葡萄糖合成酶催化1 磷酸葡萄糖与二磷酸甘油酸作用，产生二磷酸葡萄糖（g16p）和磷酸甘油酸[22]：g1p + bpg g16p + gp3 + H+2) 二磷酸葡萄糖再通过磷酸葡萄糖变位酶催化，与磷酸果糖反应，再生二磷酸果糖[23]。