一種基于植物發(fā)電技術的分布式電源可行性分析

袁 蓓

（河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

一種基于植物發(fā)電技術的分布式電源可行性分析

袁 蓓

（河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

隨著經濟發(fā)展，我國面臨越來越嚴峻的能源與環(huán)境問題，開發(fā)清潔可再生能源迫在眉睫。本文針對一種生物質能源的創(chuàng)新利用方式，即利用植物光合作用的光反應發(fā)電，對基于此技術的分布電源進行可行性分析。首先，對我國能源與環(huán)境現(xiàn)況及現(xiàn)有生物質能源的利用方式進行探討。其次，介紹植物發(fā)電技術與相關研究成果。最后，結合我國能源、環(huán)境與國家政策等現(xiàn)況，對基于植物發(fā)電技術的分布式電源進行可行性分析和前景展望。

生物質；植物發(fā)電；分布式電源；可行性

能源對一個國家生存與發(fā)展的重要性不言而喻。隨著我國近年來經濟的迅猛發(fā)展，能源與環(huán)境的矛盾也日益突出。能源成為制約我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，只有積極開發(fā)清潔可再生能源，才能從根本上解決這一問題。生物質能源以生物質為載體，可謂取之不盡，用之不竭，是理想的可再生能源，近年來發(fā)展迅速。但如今的生物質能源的利用方式都必須將其轉化為其他能源才能使用，多次轉化的過程，不僅使開發(fā)成本提高，也會造成能量損失和污染。本文所述的植物發(fā)電技術，即是生物質能源的一種創(chuàng)新利用方式。以下對基于此技術的分布式電源進行分析探討。

1　技術開發(fā)背景

1.1我國能源現(xiàn)況與特點

經濟的發(fā)展，人口規(guī)模的不斷提高，我國能源短缺現(xiàn)象也日益嚴重。而按照中國長期的經濟發(fā)展目標，中國的能源消費總量將一步上升，未來中國的能源問題可能會成為制約經濟發(fā)展的一大“瓶頸”。我國能源現(xiàn)況有以下三個特點：

（1）人均能源水平低

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

（2）能源利用效率低，污染嚴重

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

（3）能源分布不均

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

（4）能源結構不合理

我國能源消耗主要以煤炭為主，甚至達到了70%左右，而其他能源所占份額相對較低。這種不合理的能源消費結構，進一步加劇了我國能源利用效率低，污染嚴重的問題。

1.2我國環(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，我國目前的環(huán)境污染十分嚴重。近年來霧霾天氣的常態(tài)化，更加說明了中國空氣污染的形式不容樂觀。我國的大氣污染主要為煤煙型污染，能源消費的污染是其根源。所以，開發(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生物質能及其利用方式

生物質能源是一種通過光合作用，以生物質為載體，間接利用太陽能的一種可再生能源。據(jù)統(tǒng)計，地球上的植物每年通過光合作用固定的太陽能約為3乘1018kJ，為每年全球總能耗的10倍。并且，生物質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、運輸和儲存。我國的生物質能源資源豐富，如果能充分利用，必能解決我國的能源與環(huán)境問題。

目前，生物質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）生物質液化；

（4）沼氣；

（5）生物質燃燒發(fā)電。

2　植物發(fā)電技術發(fā)展及原理

2.1植物發(fā)電技術發(fā)展

早在19世紀，就有人發(fā)現(xiàn)，如果用銅線和鋅線分別插入檸檬，就可以驅動小型鐘表的電機5個月之久。原來，植物里本身就有電流，這一發(fā)現(xiàn)讓人們驚喜不已。隨著科學家的探索研究，近年來，在利用活體植物直接發(fā)電技術領域已有了不少成果。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光照射時，會產生電流，并且發(fā)現(xiàn)，其轉換效率為普通太陽能電池的3倍以上。用此方法制成的電池稱為“生物光伏電池”。英國劍橋研究人員發(fā)現(xiàn)，一盆蕨類植物的發(fā)電量可達每天一度。如今，這種植物發(fā)電技術的應用也日漸廣泛，市場上已經出售有植物電能時鐘，植物電池等產品。

2.2植物發(fā)電技術原理

光合作用（Photosynthesis）是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細菌利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水（細菌為硫化氫和水）轉化為儲存著能量的有機物，并釋放出氧氣（細菌釋放氫氣）的生化過程。光合作用可以說是地球上所有能源化石能源的根本來源，是十分重要的一個反應。光合作用可分為光反應和碳反應兩個階段。其光反應部分方程如下：

在此過程中，電子從H2O傳遞給NADP，這是一個逆氧化還原電勢的反應，一個電子從H2O傳遞到NADP必須克服1.13V電勢差。當光子打到色素分子上時，葉綠素會吸收特定波長光線，激發(fā)高能電子，植物就是因此利用光能為這個反應提供電子流。我們可以用裝置把植物光反應過程中激發(fā)的電子流引出，再通過升壓電路，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程中的電流。

2.3基于植物發(fā)電技術的分布式電源

分布式電源一般指功率較小，與環(huán)境兼容的獨立電源，包括發(fā)電設備與儲能裝置。分布式電源能夠高效利用各種發(fā)電技術，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)境污染觀點看，分布式發(fā)電技術是我國的必然選擇。基于植物發(fā)電技術的分布式電源能夠將生物質能源的利用最大化，在智能系統(tǒng)的規(guī)劃下，保持獨立電源的供電穩(wěn)定性，滿足負荷要求。

3　可行性分析和前景展望

3.1中國生物質能源發(fā)展政策

為保障生物質能源產業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，我國政府出臺了一系列法律法規(guī)和政策措施，積極推動了生物質能源的開發(fā)與利用［7］。2005年《中華人民共和國可再生能源法》提出，國家鼓勵清潔、高效地開發(fā)生物質能源。國家“十一五”規(guī)劃綱要也提出，加快開發(fā)生物質能源。

3.2能源分布狀況和大規(guī)模開發(fā)可行性

植物發(fā)電的載體分布范圍廣泛，從喬木，藻類，蕨類，以及其他灌木類雜草，可以有針對性的對不同類別植物進行發(fā)電技術的調整，讓我國大量森林資源、濕地資源和海洋資源能在最小的破壞度下實現(xiàn)充分利用。如果大規(guī)模推廣該技術，也能間接保護植物資源，促進環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。從成本經濟來看，發(fā)電植物易于獲取，原料成本幾乎為零。如果研發(fā)出可靠的電流調控電路，并將其發(fā)出電能集中并儲存，再將一定范圍內無數(shù)供電模塊用智能系統(tǒng)相連，通過最優(yōu)化設計方法進行規(guī)劃并網，就能形成大規(guī)?；谠摷夹g的分布式發(fā)電系統(tǒng)。

3.3植物發(fā)電技術的分布式電源存在問題分析

目前，基于植物發(fā)電技術的分布式電源存在的問題主要為：

首先，相關科研技術開發(fā)仍處于初級階段，還沒有形成完整的技術體系。其次，缺乏大規(guī)模開發(fā)的動力，政策鼓勵和市場吸引力不足。最后，在能源市場的競爭力較弱，無法短期內在市場中取得優(yōu)勢地位。

3.4可行性建議

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

（1）呼吁政府機構加大對植物發(fā)電領域的科研項目投資，逐步完善技術體系，主要是電流調控技術和儲能技術的改善。

（2）政府能夠出臺相關鼓勵政策，對開發(fā)該項目的企業(yè)給予技術支持與經濟獎勵。

（3）加大市場宣傳，讓更多人了解生物質能源的優(yōu)越性，吸引企業(yè)投資，提高其能源市場的競爭力。對使用該分布式電源的用戶也給予電價上的優(yōu)惠。

（4）可利用我國植物資源豐富的地理優(yōu)勢，把一部分植被密集區(qū)域作為技術開發(fā)試點，建立小型的分布式發(fā)電系統(tǒng)，用于當?shù)毓苍O施或農業(yè)生產用電，再進一步推廣該技術，最終實現(xiàn)大規(guī)模分布式電源的可靠并網。相信在不久的將來，基于該技術的分布式發(fā)電系統(tǒng)能獲得廣泛應用。

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