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1、光化学和太阳能的转化 潘华环境科学与工程系1.光化学2.太阳能及其转化3.光催化制氢1.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大气中重要气体的光吸收1.5光化学烟雾1.1 光化学概念光化学是研究光与物质相互作用所引起的永久性化学效应的化学分支学科。由于历史的和实验技术方面的原因，光化学所涉及的光的波长范围为1001000纳米，即由紫外至近红外波段。光化学过程是地球上最普遍、量重要的过程之一，绿色植物的光合作用，动物的视觉，涂料与高分子材料的光致变性，以及照相、有机化学反应的光催化等，无不与光化学过程有关。近年来得到广泛重视的同位素与相似元素的光致分离、光控功能体系的合
2、成与应用等，更体现了光化学是一个极活跃的领域。但从理论与实验技术方面来看，在化学各领域中，光化学还很不成熟。光化学反应是由原子、分子、自由基或离子吸收光子所引起的化学变化。光化学反应不同于热化学反应：第一，光化学反应的活化主要是通过分子吸收一定波长的光来实现的，而热化学反映的活化主要是分子从环境中吸收热能而实现的。光化学反应受温度的影响小，有些反应与温度无关。第二，一般而言，光活化的分子与热活化分子的电子分布及构型有很大不同，光激发态的分子实际上是基态分子的电子异构体。第三，被光激发的分子具有较高的能量，可以得到高内能的产物，如自由基、双自由基等。第四，光化学反应一般速度很快，反应很难发生平衡
3、，故常用反应速率常数代替平衡常数来说明光化学反应的能力。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的光，才能有效地引起该体系的分子发生光化学反应。此定律虽然是定性的，但却是近代光化学的重要基础。例如理论上只需284.5kJmol的能量就可以使H20分解，这相当于420nm光子的能量，似乎只需可见光就可以了。但实际上在通常情况下H20并不被光解，原因是H20不吸收波长为420nm的光。H20最大吸收在50008000nm和20000nm的两个频段。因此，可见光和近紫外光都不能使H20分解。光化学第二定律
4、此定律又称为Einstein光化当量定律，是爱因斯坦在1905年提出的，内容为：在光化学反应的初级过程中，被活化的分子数(或原子数)等于吸收光的量子数，或者说分子对光的吸收是单光子过程，即光化学反应的初级过程是由分子吸收光子开始的。光子能量与化学键能的关系光子能量与化学键能的关系 只有当激发态分子(活化分子)的能量足够使分子内最弱的化学键断裂时，才能引起化学反应，即说明光化学反应中，旧键的断裂与新键的生成都与光子的能量有关。根据Einstein公式，1摩尔分子吸收1摩尔光子的总能量为：E=N0h=N0hc/=1.196105/(kJ/mol)利用此公式可以从化学键能计算其相应的波长。1.3 光
5、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，可产生光化学反应的初级过程和次级过程。初级过程包括化学物种吸收光能形成激发态物种及该激发态可能发生的反应，其基本步骤为：A+hvA*式中A*物种A的激发态；hv光量子。随后激发态A*可能发生如下几种反应：辐射跃迁：A*Ahv（荧光、磷光）（1）碰撞去活化：A*+MA+M(2)光解离：A*B1+B2+(3)与其它分子反应：A*+CD1+D2+.(4)其中，（1）、（2）为光物理过程，前者为激发态物种通过辐射荧光或磷光而失活，后者为激发态物种通过与其它分子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）
6、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的物种。对大气环境化学来说，光化学过程更为重要。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的转化规律尤为重要。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，自由基引发进一步的反应过程。如氯化氢的光化学反应过程：HClhvHCl（激发光离解）（5）HHClH2Cl（反应物与生成物反应）（6）ClClCl2（生成物之间的反应）(7)其中，式（5）为初级过程，式（6）(7)（8）为次级过程。在对流层气相中初级光化学过程的主要类型有：光解一个
7、分子吸收一个光量子的辐射能时，如果所吸收的能量等于或大于键的离解能，则发生键的断裂，产生原子或自由基，它们可以通过次级过程进行热反应。这类反应在大气中很重要，光解产生的自由基及原子往往是大气中OH、HO2、和RO2等的重要来源。对流层清洁和污染大气中、平流层大气中的主要化学反应都与这些自由基或原子的反应有关。例如：在430nm波长的作用下，NO2光解离产生的是电子基态的产物：NO2hvNOO（3P）O（3P）为三重态即基态原子氧，在一个大气压下的空气中O（3P）会立即发生发应：O（3P）O2O3这个反应是对流层大气中唯一已知的O3人为来源。分子内重排在一定条件下，化合物在吸收光量子后能够引起分
8、子内重排。例如：邻硝基苯甲醛在蒸汽、溶液或固相中的光解光异构化气相中的某些有机化合物吸收光能后，发生异构化反应，如：光二聚合某些有机化合物在光的作用下发生聚合反应，生成二聚体。如光取向膜用材料的研制。在双分子的光化学过程中，氢摘取是较为重要的反应，它们有可能发生在液相表面或水滴中。氢的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，容易发生分子间氢的提取反应，如光敏化反应光敏化反应是指，有些化合物能够吸收光能，但自身并不参与反应，而把能量转移给另一化合物使之成为激发态参与反应。吸光的物质称为光敏剂（S），接受能量的化合物称为受体（A）。光敏化反应可表示为：S（S0）hvS（S1）S（
9、S1）S（T1）S（T1）A（S0）S（S0）A（T1）A（T1）参与反应上述化学过程以光解最为重要，此过程可生成反应性极强的碎片，从而引发一系列的化学反应。1.4 大气中重要气体的光吸收 由于高层大气中的氧和臭氧近乎完全吸收了波长290nm的紫外辐射，因此，低层大气中的污染物主要吸收波长300700nm(相当于398167kJmol能量)范围的光线。迄今为止，已知的比较重要的吸收光后能进行光解的污染物主要有：NO2、O3、SO2、HONO、H2O2、RONO2、RONO、RCHO、RCOR等。表10.1 主要气体的光吸收特征波段气体主要的光吸收带NO2290410nmSO2340400nm,
10、240330nm,180-240O3200300nm,300360nm,最强吸收在254nmHONO300400nmHCHO290360nmNO2是城市大气中最重要的吸光物质。在低层大气中，它能吸收全部来自太阳的紫外光和部分可见光。NO2在290410nm内有连续吸收光谱。波长在300370nm之间有90的NO2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之间的键能为3054kJmol，相当于400nm左右光波所提供的能量。即吸收光波长420nm时，NO2可发生光解：NO2hvNOOOO2O3O3的光吸收特性紫外区有两个吸收带2003
11、00nm和300360nm，最强吸收在254nm，主要发生在平流层，由于臭氧的吸收，控制了到达对流层辐射的短波长极限。可见光区还有一个吸收带，波长为450850nm这个吸收是很弱的。O3吸收紫外光后发生光解反应：O3hvOO2当波长290nm，O3对光的吸收就相当弱了。因此O3主要吸收来自太阳波长290nm的紫外光。产物是否为激发态则取决于激发能(吸收光能)。在200320nm之间O3光解生成的两个产物都处于激发态；而320440nm之间(O3光解反应发生了自旋跃迁(O为3P态)；450850nm之间O3光解产物都为基态。SO2的光吸收特性在SO2吸收光谱中有三条吸收带。第一条为340400n
12、m，于370nm处有一强的吸收，但它是一个极弱的吸收区。第二条为240330nm，是个较强的吸收区。第三条从240nm开始，随波长下降吸收变得很强，直到180nm，是一个很强的吸收区。SO和O之间键能为564.8kJmol，相当于218nm的光波能量，因此240400nm的光不能使其离解，即在对流层大气中，SO2的光吸收并不发生光解反应，而是形成二种激发态的SO2*。SO2hv3SO（三重态）或SO2hv1SO2（单重态）HONO(亚硝酸)的光吸收特性HONO是对流层大气中除NO2之外第二个重要的吸光物质，它可以强烈吸收300400nm范围的光谱，并发生光解，一个初级过程为：HONOhvHON
13、O这是对流层大气中HO自由基的主要来源。另一个初级过程为：HONOhvHNO2次级过程为：HONOHNO2HOHNO2H2ONO2HONO2HNO3HCHO的光吸收特性的光吸收特性HCHO也是对流层大气中的重要吸光物质，它能吸收290360nm波长范围内的光、并进行光解，初级过程为：HCHOhvHHCOHCHOhvH2CO次级过程为：HOHCOH2CO2HMH2M2HCOH22CO在对流层中，由于O2存在，初级过程生成的HCO和H自由基很快与O2反应形成HO2即：HO2HO2HCOO2HO2CO其它醛类的光解也可以同样方式生成HO2自由基，如乙醛光解：CH3CHOhvHCH3COHO2HO2所
14、以醛类的光解是大气中HO2自由基的主要来源。过氧化物的光吸收性过氧化物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中的CC键能为344kJmol，CH键能为415kJmol，所以过氧化物发生的光解反应如下：ROORhvRORO由此可见，大气中光化学反应(光解离)的产物主要为自由基。由于自由基的存在，使大气中化学反应活跃，它们能诱发或参与大量其它反应，使一次污染物转变成二次污染物。1.5 光化学烟雾大气中的烃和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的混合物（气体和颗
15、粒物）所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。NOx是这种烟雾的主要成分，又因其1946年首次出现在美国洛杉矶，因此又叫洛杉矶型烟雾，以区别于煤烟烟雾（伦敦型烟雾）。这种洛杉矶型烟雾是由汽车的尾气所引起，而日光在其中起了重要作用：2NO+O22NO2NO2NO+OO+O2O3NO2光分解成NO和氧原子时，光化学烟雾的循环就开始了。原子氧会和氧分子反应生成臭氧(O3)，O3是一种强氧化剂，O3与烃类发生一系列复杂的化学反应，其产物中有烟雾和刺激眼睛的物质，如醛类、酮类等物质。在此过程中，NO2还会形成另一类刺激性强烈的物质如PAN（硝酸过氧化乙酰）。另外，烃类中一些挥发性小的氧化物会凝结成气溶胶液
16、滴而降低能见度。目前对控制光化学烟雾的主要对策有：（1）控制污染源即控制NOx及烃的浓度，使的浓度符合大气质量标准的要求。如改善汽车发动机的结构与工作状态以降低燃料消耗、减少有害气体排放，安装尾气催化转化器以使尾气无害化等等。（2）采用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），利用电磁感应的方法推动火车（超导悬浮列车）等。（3）使用化学抑制剂目的使消除自由基，以抑制链式反应的进行，从而控制光化学烟雾的形成。人们发现二乙基羟胺、苯胺、二苯胺、酚等对产生的自由基有不同程度的抑制作用，尤其是二乙基羟胺对光化学烟雾有较好的抑制作用。但抑制剂可能造成新的污染，许多科学
17、家对此方法持有不同意见。2.太阳能及其转化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)2.1 太阳能概述太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射
18、和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.00729。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。以下为有关太阳能的一些数据：1.每年照射到地球表面的太阳能，估计为1.781017W/a，约为目前全世界每年所需能量的一万多倍。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，因此得以维持地球表面的温度。4.约20%的太阳能将地表的水蒸发成水蒸气，形成云、雨及空气的流动(水力和风力的由来)，同时也造成海洋表面和底层的温差。5.只
19、有很小的比例(约0.06%)用於进行植物生长所需的光合作用，太阳能被转化储存在植物体内碳氢化合物的化学能。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，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；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响，不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能利用的优点1、普遍性：太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的能源危机。2、永久性：太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有六百万年的期限，对于人类而言，这样的时间可谓是无限。3、无
20、污染性：现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的处理，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。太阳能利用的缺点1、稳定性差：受日夜季候的影响，太阳能不断地生变化。2、装置成本过高：吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果，因此相对地成本提高。3、污染问题：有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”，即庞大的太阳能收集器造成视觉上的污染。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)光热转换光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来，用收集到的热能为人类服务。早期最广泛的太阳能应用是将水加热，现今全世界已有数百万个太阳能
21、热水装置。太阳能热水系统主要包括收集器、储存装置及循环管路三部分。太阳能的光热转换是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式。其基本原理是将太阳辐射能收集起来利用温室效应来加热物体而获得热能，如地膜、大棚、温室等。目前使用较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。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的大多用水作介质，即构成各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太阳能干燥器。太阳能集热器的核心是吸热板，它的
22、功能是吸收太阳的辐射能，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。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质的太阳能集热器吸热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。太阳能集热器的分类：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的设备。最常见的太阳能集热器是非聚光式平板型集热器。它的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）是利用温室效应的非聚光型集热器。在温室充入CO2可提高温室效应。聚光型集热器利用聚焦
23、原理，即利用光线的反射和折射原理，采用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的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度。世界上最大的一面太阳能聚光集热器是法国比利牛斯山坡上的太阳能高温炉。它的抛物面聚光反射镜有9层楼高，面积有1830米2，它是由9500块小镜片拼接而成的。反射镜把安装在对面山坡上的63块巨型平面镜反射过来的阳光聚焦，焦点处安装高温熔炉，温度可达4000度以上。3、按吸热体周围的状态分类：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的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的
24、吸热板，还可抑制吸热体的辐射热损。因此，真空管集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。在高温和低温环境下均有较高的集热效率。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具有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及全年使用时间长等优良特性，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的使用日益广泛。光电转换光电转换即将太阳能转换成电能。目前，太阳能用于发电的途径有二：一是热发电，就是先用聚热器把太阳能变成热能，再通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的光电效应，将太阳能直接转变为电能。图为利用太阳能电池提供动力
25、的太阳能飞机。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，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、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。现在，太阳能的利用还不很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。目前对於降低太阳能电
26、池价格的发展分成两个方向，一边是致力於光线的获取并增加转换效率，另一边则是专注於制造更现代的高效率电池，开发更便宜的物质或降低制程的成本。目前，全球最大的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，每年的发电量为450万千瓦。日本为了达成京都议定书的二氧化碳减量要求，全日本都普设太阳能光电板，位于日本中部的长野县饭田市，居民在屋顶设置太阳能光电板的比率甚至达2%，堪称日本第一。我国的太阳能光电技术自70年代以来，经过“六五”“七五”、“八五”三个五年计划攻关，有了一定的发展，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，
27、实际的销量为2.02.5MW，平均以1520%的速度增长。产品主要为单晶硅光电池和非晶硅电池，其他类型的光电池目前还处于研制阶段。单晶硅太阳电池转换效率已达14%，实验室最高为20%，组件制造成本3035元/W，售价4248元/W。单结非晶硅太阳电池的稳定效率58.5%，实验室最高效率为8.35%，制造成本3元/W，售价为24元/W。目前为止，我国太阳能光电系统的总安装容量在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的边远地区。1.目前太阳能电池的种类主要有硅、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
28、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的形式：光电转换利用太阳能的形式：光化转换光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其他能量。我们知道，植物靠叶绿素把光能转化成化学能，实现自身的生长与繁衍，若能揭示光化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电。目前，太阳能光化转换正在积极探索、研究中。70年代科学家发现：在阳光辐照下TiO2之类宽频带间隙半导体，可对水的电解提供所需能量，并析出O2和H2，从而在太阳能转换领域产生了一门新兴学科-光电化学。随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成为发展氢能产业的最佳选择。1995年，美国科学家利用光电化学转换
29、中半导体/电介质界面产生的隔栅电压，通过固定两个光粒子床的方法，来解决水的光催化分离问题取得成功。其两个光粒子床概念的光电化学水分解机制为：H2的光反应4H2O+4M2H2+4OH-+4M+O2的光反应4OH-+M+O2+2H2O+4M净结果为：2H2O2H2+O2(其中M为氧化还原介质)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的太阳能制氢厂。印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4800万美元，在每年有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500kW太阳能电站制氢，用光伏-电解系统制得的氢。自90年代以来，德、英、日、美等国已投
30、资积极进行氢能汽车的开发。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-压缩天然气的一种添加剂，使SH在高价值利用方面获得成功，为氢燃料汽车的实用化提供了重要基础。其他，在对重量十分敏感的航天、航空领域以及氢燃料电池和日常生活中“贮氢水箱”的应用等方面氢能都将获得特别青睐。生物质能生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中
31、。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。1、通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，例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。烧炭是一种古老的生物能利用方式，若有计划的植林，不仅可作燃料以及作为酒精沼气原料，而且还能保护环境，防止水土流失。4、将高等有机
32、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某些微生物的光合作用，在阳光下分解制氢，提供燃料。生物转换利用太阳能的方式：生物转换利用太阳能的方式：生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015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，光合作用是生命活动中的关键过程，植物光合作用的简单过程如下：水+二氧化碳太阳能-植物有机体+氧生物质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。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达21
33、011t，含能量31021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就像当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形式的生物质，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。国外生物质能技术的发展状况 生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其它诸如丹麦、荷兰
34、、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。沼气技术主要为厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水，是发展较早的生物质能利用技术。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。如印度和中国的家用沼气池；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。目前，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的应用示范工程。采用新的自循环厌氧技术。荷兰IC公司已使啤
35、酒废水厌氧处理的产气率达到10m3/m3.d的水平，从而大大节省了投资、运行成本和占地面积。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2000万美元，采用湿法处理垃圾，日产26万m3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，建造更多的垃圾沼气发电厂。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家公司和研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究与开发；加拿大12个大学的
36、实验室在开展生物质热裂解气化技术的研究；此外，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的研究。芬兰坦佩雷电力公司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的发电厂，利用生物质气化、联合循环发电等先进技术处理当地丰富的蔗渣资源。生物质液体燃料另一项令人关注的技术，因为生物质液体燃料，包括乙醇、植物油等，可以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的国家，70年代中期，为了摆脱对进口石油的过度依赖，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，到1991
37、年，乙醇产量达到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%的乙醇-汽油混合燃料，也就是说乙醇燃料已占汽车燃料消费量的50%以上。1996年，美国可再生资源实验室已研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集团公司建立了一个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，具有明显的经济效益。其它技术此外,生物质压缩技术可书固体农林废弃物压缩成型,制成可代替煤炭的压块燃料。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。我国的生物质能源 我国基本上是一个农业国家
38、农村人口占总人口的70%以上，生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构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的有机碳量，每年约为158吨）。以平均热值为15,000千焦/公斤计算，折合理论资源最为33亿标准煤，相当于我国目前年总能耗的3倍以上.实际上，目前可以作为能源利用的生物质主要包括秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾和有机废渣废水等。据调查，目前我国秸秆资源量已超过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
39、源用途：薪柴的来源主要为林业采伐、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%的速度增，据估算，我国可开发的生物质能资源总量约7亿吨标准煤。生物质能源和利用我国生物质的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的工业生产：而利用方式长期来一直以直接燃烧为主，只是近年来才开始采用新技术利用生物质能源，但规模较小。普及程度较低，在国家，甚至农村的能源结构中占有极小的比例。生物质直接燃烧方式不仅热效率低下，而且大量的烟尘和余灰的排放使人们的居住和生活环境日
40、益恶化，严重损害了妇女、儿童的身心健康。此外，还对生态、社会和经济造成极其不利的影响改善能源结构，减轻对对环境的压力。我国可开发的生物资源达7亿吨，如果能充分开发，可以在我中国的能源消费中占重要的地方，这对改善我国能源结构，减少我国对石化燃料的依赖，进而减少我国CO2和SO2等污染物的排放，最终缓解能源消耗给环境造成的压力有重要的意义。其它形式太阳能风能风是由太阳辐射引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，
41、比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内所提供给我们的能量的1。可见，风能是地球上重要的能源之一。风能与其他能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有四大优点和三大弱点。四大优点是：（1）蕴量巨大；（2）可以再生；（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）地区差异大地热能地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸气和水而到达地面，自史前起它们就已
42、被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。其储量比目前人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。地热能在世界很多地区应用相当广泛。老的技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断地完善。在能源的开发和技术转让方面，未来的发展潜力相当大。潮汐能潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋转，这种水位的上升以周期为12h25min和振幅小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的
43、作用与此相似，但是作用力小些，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。潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。或者说，与潮差的平方和水库的面积成正比。世界上潮差的较大值约为1315m，但一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。江厦潮汐发电站到目前为止，我国正在运行发电的潮汐电站共有8座：浙江乐清湾的江厦潮汐试验电站、海山潮汐电站、沙山潮汐电站，山东乳山县的白沙口潮汐电站，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。