一種基于植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源可行性分析

袁蓓

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問(wèn)題，開(kāi)發(fā)清潔可再生能源迫在眉睫。本文針對(duì)一種生物質(zhì)能源的創(chuàng)新利用方式，即利用植物光合作用的光反應(yīng)發(fā)電，對(duì)基于此技術(shù)的分布電源進(jìn)行可行性分析。首先，對(duì)我國(guó)能源與環(huán)境現(xiàn)況及現(xiàn)有生物質(zhì)能源的利用方式進(jìn)行探討。其次，介紹植物發(fā)電技術(shù)與相關(guān)研究成果。最后，結(jié)合我國(guó)能源、環(huán)境與國(guó)家政策等現(xiàn)況，對(duì)基于植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源進(jìn)行可行性分析和前景展望。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；植物發(fā)電；分布式電源；可行性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

能源對(duì)一個(gè)國(guó)家生存與發(fā)展的重要性不言而喻。隨著我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源與環(huán)境的矛盾也日益突出。能源成為制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，只有積極開(kāi)發(fā)清潔可再生能源，才能從根本上解決這一問(wèn)題。生物質(zhì)能源以生物質(zhì)為載體，可謂取之不盡，用之不竭，是理想的可再生能源，近年來(lái)發(fā)展迅速。但如今的生物質(zhì)能源的利用方式都必須將其轉(zhuǎn)化為其他能源才能使用，多次轉(zhuǎn)化的過(guò)程，不僅使開(kāi)發(fā)成本提高，也會(huì)造成能量損失和污染。本文所述的植物發(fā)電技術(shù)，即是生物質(zhì)能源的一種創(chuàng)新利用方式。以下對(duì)基于此技術(shù)的分布式電源進(jìn)行分析探討。

1 技術(shù)開(kāi)發(fā)背景

1.1 我國(guó)能源現(xiàn)況與特點(diǎn)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口規(guī)模的不斷提高，我國(guó)能源短缺現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。而按照中國(guó)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，中國(guó)的能源消費(fèi)總量將一步上升，未來(lái)中國(guó)的能源問(wèn)題可能會(huì)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大“瓶頸”。我國(guó)能源現(xiàn)況有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）人均能源水平低

雖然我國(guó)能源總儲(chǔ)量較高，但人均能源可采儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于世界平均水平。其中，石油總儲(chǔ)量是世界總量的2%，人均儲(chǔ)量為世界水平的10%，目前進(jìn)口依存度約為40%。

（2）能源利用效率低，污染嚴(yán)重

國(guó)際上一般用能源強(qiáng)度來(lái)衡量能源利用效率，能源強(qiáng)度越低，能源利用效率越高。我國(guó)能源利用效率目前為32%，生產(chǎn)同量的GDP所消耗的能源是世界平均水平的3倍多。由于技術(shù)水平不足，能源在利用過(guò)程中產(chǎn)生大量SO2、N0X、煙塵等多種污染物，使得能源消費(fèi)成為我國(guó)環(huán)境污染的主要根源。

（3）能源分布不均

我國(guó)能源分布整體呈現(xiàn)“西北多，東南少”的局面，僅東北地區(qū)的石油、天然氣儲(chǔ)量就占全國(guó)儲(chǔ)量的一半，能源消費(fèi)集中的東南地區(qū)卻資源匱乏。近年來(lái)的西氣東輸，西電東送，西煤東運(yùn)等項(xiàng)目的實(shí)施，雖解決了部分矛盾，但大規(guī)模能源運(yùn)輸所帶來(lái)的高成本和資源損耗也隨之而來(lái)。

（4）能源結(jié)構(gòu)不合理

我國(guó)能源消耗主要以煤炭為主，甚至達(dá)到了70%左右，而其他能源所占份額相對(duì)較低。這種不合理的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加劇了我國(guó)能源利用效率低，污染嚴(yán)重的問(wèn)題。

1.2 我國(guó)環(huán)境污染現(xiàn)況

由于化石燃料的大量燃燒，排放大量污染物，我國(guó)目前的環(huán)境污染十分嚴(yán)重。近年來(lái)霧霾天氣的常態(tài)化，更加說(shuō)明了中國(guó)空氣污染的形式不容樂(lè)觀。我國(guó)的大氣污染主要為煤煙型污染，能源消費(fèi)的污染是其根源。所以，開(kāi)發(fā)清潔可再生能源是解決能源與污染矛盾的唯一途徑。

1.3 生物質(zhì)能及其利用方式

生物質(zhì)能源是一種通過(guò)光合作用，以生物質(zhì)為載體，間接利用太陽(yáng)能的一種可再生能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上的植物每年通過(guò)光合作用固定的太陽(yáng)能約為3乘1018kJ，為每年全球總能耗的10倍。并且，生物質(zhì)能源能夠顯著降低溫室氣體的排放，減少污染，其原料也便于獲取、運(yùn)輸和儲(chǔ)存。我國(guó)的生物質(zhì)能源資源豐富，如果能充分利用，必能解決我國(guó)的能源與環(huán)境問(wèn)題。

目前，生物質(zhì)能源的利用方式主要有以下幾種：

（1）燃燒乙醇；

（2）生物柴油；

（3）生物質(zhì)液化；

（4）沼氣；

（5）生物質(zhì)燃燒發(fā)電。

2 植物發(fā)電技術(shù)發(fā)展及原理

2.1 植物發(fā)電技術(shù)發(fā)展

早在19世紀(jì)，就有人發(fā)現(xiàn)，如果用銅線和鋅線分別插入檸檬，就可以驅(qū)動(dòng)小型鐘表的電機(jī)5個(gè)月之久。原來(lái)，植物里本身就有電流，這一發(fā)現(xiàn)讓人們驚喜不已。隨著科學(xué)家的探索研究，近年來(lái)，在利用活體植物直接發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域已有了不少成果。日本研究人員發(fā)現(xiàn)從植物中提取的葉綠素與卵磷脂混合物被太陽(yáng)光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流，并且發(fā)現(xiàn)，其轉(zhuǎn)換效率為普通太陽(yáng)能電池的3倍以上。用此方法制成的電池稱(chēng)為“生物光伏電池”。英國(guó)劍橋研究人員發(fā)現(xiàn)，一盆蕨類(lèi)植物的發(fā)電量可達(dá)每天一度。如今，這種植物發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用也日漸廣泛，市場(chǎng)上已經(jīng)出售有植物電能時(shí)鐘，植物電池等產(chǎn)品。

2.2 植物發(fā)電技術(shù)原理

光合作用（Photosynthesis）是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細(xì)菌利用其細(xì)胞本身，在可見(jiàn)光的照射下，將二氧化碳和水（細(xì)菌為硫化氫和水）轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存著能量的有機(jī)物，并釋放出氧氣（細(xì)菌釋放氫氣）的生化過(guò)程。光合作用可以說(shuō)是地球上所有能源化石能源的根本來(lái)源，是十分重要的一個(gè)反應(yīng)。光合作用可分為光反應(yīng)和碳反應(yīng)兩個(gè)階段。其光反應(yīng)部分方程如下：

H2O→2H+2e-+1/2O2（水的光解），NADP++2e-+H+→NADPH（遞氫）

在此過(guò)程中，電子從H2O傳遞給NADP，這是一個(gè)逆氧化還原電勢(shì)的反應(yīng)，一個(gè)電子從H2O傳遞到NADP必須克服1.13V電勢(shì)差。當(dāng)光子打到色素分子上時(shí)，葉綠素會(huì)吸收特定波長(zhǎng)光線，激發(fā)高能電子，植物就是因此利用光能為這個(gè)反應(yīng)提供電子流。我們可以用裝置把植物光反應(yīng)過(guò)程中激發(fā)的電子流引出，再通過(guò)升壓電路，將其電壓升高。這樣就可以在植物正常生活的狀態(tài)下直接獲取其光合作用過(guò)程中的電流。

2.3 基于植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源

分布式電源一般指功率較小，與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源，包括發(fā)電設(shè)備與儲(chǔ)能裝置。分布式電源能夠高效利用各種發(fā)電技術(shù)，能源成本低，通常為可再生能源，有巨大的環(huán)境效益。從可持續(xù)發(fā)展和降低環(huán)境污染觀點(diǎn)看，分布式發(fā)電技術(shù)是我國(guó)的必然選擇。基于植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源能夠?qū)⑸镔|(zhì)能源的利用最大化，在智能系統(tǒng)的規(guī)劃下，保持獨(dú)立電源的供電穩(wěn)定性，滿足負(fù)荷要求。

3 可行性分析和前景展望

3.1 中國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展政策

為保障生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，我國(guó)政府出臺(tái)了一系列法律法規(guī)和政策措施，積極推動(dòng)了生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)與利用[7]。2005年《中華人民共和國(guó)可再生能源法》提出，國(guó)家鼓勵(lì)清潔、高效地開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源。國(guó)家“十一五”規(guī)劃綱要也提出，加快開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源。

3.2 能源分布狀況和大規(guī)模開(kāi)發(fā)可行性

植物發(fā)電的載體分布范圍廣泛，從喬木，藻類(lèi)，蕨類(lèi)，以及其他灌木類(lèi)雜草，可以有針對(duì)性的對(duì)不同類(lèi)別植物進(jìn)行發(fā)電技術(shù)的調(diào)整，讓我國(guó)大量森林資源、濕地資源和海洋資源能在最小的破壞度下實(shí)現(xiàn)充分利用。如果大規(guī)模推廣該技術(shù)，也能間接保護(hù)植物資源，促進(jìn)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。從成本經(jīng)濟(jì)來(lái)看，發(fā)電植物易于獲取，原料成本幾乎為零。如果研發(fā)出可靠的電流調(diào)控電路，并將其發(fā)出電能集中并儲(chǔ)存，再將一定范圍內(nèi)無(wú)數(shù)供電模塊用智能系統(tǒng)相連，通過(guò)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行規(guī)劃并網(wǎng)，就能形成大規(guī)?；谠摷夹g(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)。

3.3 植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源存在問(wèn)題分析

目前，基于植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源存在的問(wèn)題主要為：

首先，相關(guān)科研技術(shù)開(kāi)發(fā)仍處于初級(jí)階段，還沒(méi)有形成完整的技術(shù)體系。其次，缺乏大規(guī)模開(kāi)發(fā)的動(dòng)力，政策鼓勵(lì)和市場(chǎng)吸引力不足。最后，在能源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力較弱，無(wú)法短期內(nèi)在市場(chǎng)中取得優(yōu)勢(shì)地位。

3.4 可行性建議

為加快基于植物發(fā)電技術(shù)的分布式電源的發(fā)展，在此提出以下三個(gè)可行性建議：

（1）呼吁政府機(jī)構(gòu)加大對(duì)植物發(fā)電領(lǐng)域的科研項(xiàng)目投資，逐步完善技術(shù)體系，主要是電流調(diào)控技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)的改善。

（2）政府能夠出臺(tái)相關(guān)鼓勵(lì)政策，對(duì)開(kāi)發(fā)該項(xiàng)目的企業(yè)給予技術(shù)支持與經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)。

（3）加大市場(chǎng)宣傳，讓更多人了解生物質(zhì)能源的優(yōu)越性，吸引企業(yè)投資，提高其能源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)使用該分布式電源的用戶也給予電價(jià)上的優(yōu)惠。

（4）可利用我國(guó)植物資源豐富的地理優(yōu)勢(shì)，把一部分植被密集區(qū)域作為技術(shù)開(kāi)發(fā)試點(diǎn)，建立小型的分布式發(fā)電系統(tǒng)，用于當(dāng)?shù)毓苍O(shè)施或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電，再進(jìn)一步推廣該技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式電源的可靠并網(wǎng)。相信在不久的將來(lái)，基于該技術(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)能獲得廣泛應(yīng)用。

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