绿色化学与太阳能的发展.doc

绿色化学 题目： 绿色化学与太阳能的发展 学院： 姓名： 学号： 完成日期： 2016 年 6 月 20 日摘要：能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长，但是化石能源是不可再生的。所以，在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。本文旨在介绍我国太阳能发展的现状及其发展方向。关键词：能源危机；化石能源；太阳能；光电利用；光热利用；光化利用；燃烧利用1引言化石能源是千百万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。而且，化石能源在利用的过程中还会带来一系列的诸如温室效应，粉尘，酸雨等环境问题。而在全球的能源消费结构中化石能源的比例达到87%，在我国，化石能源的比例竟然达到了92%！所以，在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。图1全球各国近现代史来能源的利用情况2太阳能的简述太阳能是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。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。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能和水能等。3太阳能在生活中的用途太阳能的利用有光电利用、光热利用、光化利用和燃油利用四种方式，太阳能是一种新兴的可再生能源。中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。3.1太阳能的光电利用3.1.1太阳能路灯太阳路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。图2太阳能路灯3.1.2硅太阳电池硅太阳电池是最常用的卫星电源，从1970年代起，由于空间技术的发展，各种飞行器对功率的需求越来越大，在加速发展其他类型电池的同时，世界上空间技术比较发达的美、日和欧空局等国家，都相继开展了高效硅太阳电池的研究。以日本SHARP公司、美国的SUNPOWER公司以及欧空局为代表，在空间太阳电池的研究发展方面领先。SiO2+2C=Si+2COSi+2Cl2=SiCl4SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2图3 单质硅的制备 图4硅原子的结构二维图 图5硅原子的结构三维图3.1.3太阳能光伏电池白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能电能化学能电能光能。图6太阳能光伏发电图3.2太阳能的光热利用太阳能光热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（800）。目前低温利用主要有太阳能热水器等，中温利用主要有太阳灶等，高温利用主要有高温太阳炉等。3.2.1太阳能热水器太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。太阳能热水器的工作原理是阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收，由于两层玻璃之间是真空隔热的，传热将大大减小（辐射传热仍然存在，但没有了热传导和热对流），绝大部分热量只能传给玻璃管里面的水，使玻璃管内的水加热，加热的水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶，桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充，如此不断循环，使保温储水桶内的水不断加热，从而达到热水的目的。图7真空管工作原理图3.2.2太阳灶太阳灶是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。它不烧任何燃料;没有任何污染;正常使用时比蜂窝煤炉还要快;和煤气灶速度一致。太阳灶已是较成熟的产品；人类利用太阳灶已有200多年的历史，特别是近二、三十年来，世界各国都先后研制生产了各种不同类型的太阳灶。尤其是发展中的国家，太阳灶受到了广大用户的好评，并得到了较好的推广和应用。3.2.3太阳炉太阳炉，是太阳能加热炉的简称，温度可达到3500摄氏度，可用于高温材料的科学研究，也用于军事武器的研究上。物料位于反射镜的焦点处，太阳光线射到抛物面镜反射器上，聚焦在被加热物料上，使物料加热。反射镜可由机械转动和调整装置跟踪太阳转动，以便充分接受太阳能。温度可达3500。可在氧化气氛和高温下对试样进行观察，不受电场、磁场和燃料产物的干扰。可用于高温材料的科学研究。3.3太阳能的光化利用太阳能的光化利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。它包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应。植物靠叶绿素把光能转化成化学能，靠的就是光化利用来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。太阳能光化转换正在积极探索、研究中。叶绿素电池是一种能将自然界中的光能高效率地转化成电能的光电转化装置，又称光合电池。一般情况下该类型装置利用新型光合作用原料，将太阳能转化为电能，转化过程环保简洁、无任何污染。叶绿素电池有别于传统意义上的化学电池，所以一般情况下该类型电池不会带来由于重金属离子或电解质溶液造成的化学污染。现在的叶绿素电池有“人造树叶”电池。2H2O=2H2+O2图8水制氢的光化学转换方程式图9“人造树叶”电池3.4太阳能的燃油利用欧盟从2011年6月开始，利用太阳光线提供的高温能量，以水和二氧化碳作为原材料，致力于“太阳能”燃油的研制生产。截止目前，研发团队已在世界上首次成功实现实验室规模的可再生燃油全过程生产，其产品完全符合欧盟的飞机和汽车燃油标准，无需对飞机和汽车发动机进行任何调整改动。研制设计的“太阳能”燃油原型机，主要由两大技术部分组成：第一部分利用集中式太阳光线聚集产生的高温能量，辅之ETH Zrich 自主知识产权的金属氧化物材料添加剂，在自行设计开发的太阳能高温反应器内将水和二氧化碳转化成合成气（Syngas），合成气的主要成分为氢气和一氧化碳；第二部分根据费-托原理（Fischer-Tropsch Principe），将余热的高温合成气转化成可商业化应用于市场的“太阳能”燃油成品。H2O+CO2=H2+2CO图10水和二氧化碳转化成合成气4太阳能的优缺点4.1太阳能的优点太阳能的优点有普遍、无害、巨大和长久。4.1.1普遍太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋，太阳能；无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，便于采集，且无须开采和运输。4.1.2无害开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。4.1.3巨大每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。4.1.4长久根据太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。4.2太阳能的缺点太阳能的缺点有分散性、不稳定性、效率低和成本高。4.2.1分散性到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。4.2.2不稳定性由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。4.2.3效率低和成本高太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，现在的实验室利用效率也不超过30%，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。5结语我国能源供应主要依靠化石能源，只有通过扩大可再生能源的开发利用来降低化石能源消费比例。从长远来看，大力发展可再生能源可以逐步改善以煤炭为主的能源结构，促进常规能源资源更加合理有效地利用，缓解与能源相关的环境污染问题。开发利用以太阳能、风能为代表的可再生能源，并建立必要的技术贮备，可以减少我国对国外矿物能源的依赖，增强国家抗御能源安全风险的能力。太阳能光伏发电及光热转换是目前比较成熟的技术，具有诸多优点。随着太阳能等新型可再生能源的大规模开发利用，我国乃至世界的能源结构必然会有巨大的调整，可以预见将来太阳能将会得到空前发展，人类文明也会更上一个台阶！参考文献：1 罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术 M.2002:1-2.2 焦冬生.透明蜂窝应用于太阳能热水器的实验与理论研究 D.2003