光化學(xué)電化學(xué)和太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化

光化學(xué)電化學(xué)和太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化第一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光化學(xué)1.1光化學(xué)概念1.2光化學(xué)定律1.3光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程1.4大氣中重要?dú)怏w的光吸收1.5光化學(xué)煙霧第二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1.1光化學(xué)概念

光化學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用所引起的永久性化學(xué)效應(yīng)的化學(xué)分支學(xué)科。由于歷史的和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的原因，光化學(xué)所涉及的光的波長(zhǎng)范圍為100～1000納米，即由紫外至近紅外波段。第三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

光化學(xué)過(guò)程是地球上最普遍、量重要的過(guò)程之一，綠色植物的光合作用，動(dòng)物的視覺(jué)，涂料與高分子材料的光致變性，以及照相、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的光催化等，無(wú)不與光化學(xué)過(guò)程有關(guān)。近年來(lái)得到廣泛重視的同位素與相似元素的光致分離、光控功能體系的合成與應(yīng)用等，更體現(xiàn)了光化學(xué)是一個(gè)極活躍的領(lǐng)域。但從理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面來(lái)看，在化學(xué)各領(lǐng)域中，光化學(xué)還很不成熟。第四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光化學(xué)反應(yīng)是由原子、分子、自由基或離子吸收光子所引起的化學(xué)變化。光化學(xué)反應(yīng)不同于熱化學(xué)反應(yīng)：第一，光化學(xué)反應(yīng)的活化主要是通過(guò)分子吸收一定波長(zhǎng)的光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而熱化學(xué)反映的活化主要是分子從環(huán)境中吸收熱能而實(shí)現(xiàn)的。光化學(xué)反應(yīng)受溫度的影響小，有些反應(yīng)與溫度無(wú)關(guān)。第二，一般而言，光活化的分子與熱活化分子的電子分布及構(gòu)型有很大不同，光激發(fā)態(tài)的分子實(shí)際上是基態(tài)分子的電子異構(gòu)體。第三，被光激發(fā)的分子具有較高的能量，可以得到高內(nèi)能的產(chǎn)物，如自由基、雙自由基等。第四，光化學(xué)反應(yīng)一般速度很快，反應(yīng)很難發(fā)生平衡，故常用反應(yīng)速率常數(shù)代替平衡常數(shù)來(lái)說(shuō)明光化學(xué)反應(yīng)的能力。第五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1.2光化學(xué)定律光化學(xué)第一定律光化學(xué)第一定律又稱(chēng)格羅杜斯-德拉波（Grotthus-Draper）定律，其內(nèi)容為：只有被體系內(nèi)分子吸收的光，才能有效地引起該體系的分子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。此定律雖然是定性的，但卻是近代光化學(xué)的重要基礎(chǔ)。例如理論上只需284.5kJ／mol的能量就可以使H20分解，這相當(dāng)于λ＝420nm光子的能量，似乎只需可見(jiàn)光就可以了。但實(shí)際上在通常情況下H20并不被光解，原因是H20不吸收波長(zhǎng)為420nm的光。H20最大吸收在λ＝5000~8000nm和λ＞20000nm的兩個(gè)頻段。因此，可見(jiàn)光和近紫外光都不能使H20分解。第六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光化學(xué)第二定律此定律又稱(chēng)為Einstein光化當(dāng)量定律，是愛(ài)因斯坦在1905年提出的，內(nèi)容為：在光化學(xué)反應(yīng)的初級(jí)過(guò)程中，被活化的分子數(shù)(或原子數(shù))等于吸收光的量子數(shù)，或者說(shuō)分子對(duì)光的吸收是單光子過(guò)程，即光化學(xué)反應(yīng)的初級(jí)過(guò)程是由分子吸收光子開(kāi)始的。

第七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光子能量與化學(xué)鍵能的關(guān)系

只有當(dāng)激發(fā)態(tài)分子(活化分子)的能量足夠使分子內(nèi)最弱的化學(xué)鍵斷裂時(shí)，才能引起化學(xué)反應(yīng)，即說(shuō)明光化學(xué)反應(yīng)中，舊鍵的斷裂與新鍵的生成都與光子的能量有關(guān)。根據(jù)Einstein公式，1摩爾分子吸收1摩爾光子的總能量為：E=N0hν=N0hc/λ=1.196×105/λ(kJ/mol)利用此公式可以從化學(xué)鍵能計(jì)算其相應(yīng)的波長(zhǎng)。第八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1.3光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程光化學(xué)初級(jí)過(guò)程和次級(jí)過(guò)程化學(xué)物種(分子、原子等)吸收光量子后，可產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)的初級(jí)過(guò)程和次級(jí)過(guò)程。初級(jí)過(guò)程包括化學(xué)物種吸收光能形成激發(fā)態(tài)物種及該激發(fā)態(tài)可能發(fā)生的反應(yīng)，其基本步驟為：A+hv→A*式中A*——物種A的激發(fā)態(tài)；hv——光量子。第九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日隨后激發(fā)態(tài)A*可能發(fā)生如下幾種反應(yīng)：輻射躍遷：A*→A＋hv（熒光、磷光）（1）碰撞去活化：A*+M→A+M(2)光解離：A*→B1+B2+…(3)與其它分子反應(yīng)：A*+C→D1+D2+….(4)其中，（1）、（2）為光物理過(guò)程，前者為激發(fā)態(tài)物種通過(guò)輻射熒光或磷光而失活，后者為激發(fā)態(tài)物種通過(guò)與其它分子M碰撞，將能量傳遞給M，本身又回到基態(tài)，亦即碰撞失活。式（3）和（4）為光化學(xué)過(guò)程，前者為光離解，即激發(fā)態(tài)物種離解成為兩個(gè)或兩個(gè)以上新物種。后者為A*與其它分子反應(yīng)生成新的物種。對(duì)大氣環(huán)境化學(xué)來(lái)說(shuō)，光化學(xué)過(guò)程更為重要。激發(fā)態(tài)物種會(huì)在什么條件下離解為新物種，以及與什么物種反應(yīng)可產(chǎn)生新物種，對(duì)于描述大氣污染在光作用下的轉(zhuǎn)化規(guī)律尤為重要。第十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日次級(jí)過(guò)程是指在初級(jí)過(guò)程中激發(fā)態(tài)物種分解而產(chǎn)生了自由基，自由基引發(fā)進(jìn)一步的反應(yīng)過(guò)程。如氯化氫的光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：HCl＋hv→H＋Cl（激發(fā)——光離解）（5）H＋HCl→H2＋Cl（反應(yīng)物與生成物反應(yīng)）（6）Cl＋Cl→Cl2（生成物之間的反應(yīng)）(7)其中，式（5）為初級(jí)過(guò)程，式（6）(7)（8）為次級(jí)過(guò)程。第十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在對(duì)流層氣相中初級(jí)光化學(xué)過(guò)程的主要類(lèi)型有：光解一個(gè)分子吸收一個(gè)光量子的輻射能時(shí)，如果所吸收的能量等于或大于鍵的離解能，則發(fā)生鍵的斷裂，產(chǎn)生原子或自由基，它們可以通過(guò)次級(jí)過(guò)程進(jìn)行熱反應(yīng)。這類(lèi)反應(yīng)在大氣中很重要，光解產(chǎn)生的自由基及原子往往是大氣中OH、HO2、和RO2等的重要來(lái)源。對(duì)流層清潔和污染大氣中、平流層大氣中的主要化學(xué)反應(yīng)都與這些自由基或原子的反應(yīng)有關(guān)。第十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日例如：在＜430nm波長(zhǎng)的作用下，NO2光解離產(chǎn)生的是電子基態(tài)的產(chǎn)物：

NO2

＋hv→NO＋O（3P）O（3P）為三重態(tài)即基態(tài)原子氧，在一個(gè)大氣壓下的空氣中O（3P）會(huì)立即發(fā)生發(fā)應(yīng)：

O（3P）＋O2→O3這個(gè)反應(yīng)是對(duì)流層大氣中唯一已知的O3人為來(lái)源。第十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日分子內(nèi)重排在一定條件下，化合物在吸收光量子后能夠引起分子內(nèi)重排。例如：鄰硝基苯甲醛在蒸汽、溶液或固相中的光解第十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光異構(gòu)化氣相中的某些有機(jī)化合物吸收光能后，發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)，如：光二聚合某些有機(jī)化合物在光的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，生成二聚體。如光取向膜用材料的研制。

第十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在雙分子的光化學(xué)過(guò)程中，氫摘取是較為重要的反應(yīng)，它們有可能發(fā)生在液相表面或水滴中。氫的提取羰基化合物吸收光能形成激發(fā)態(tài)后，在有氫原子供體存在時(shí)，容易發(fā)生分子間氫的提取反應(yīng)，如第十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光敏化反應(yīng)光敏化反應(yīng)是指，有些化合物能夠吸收光能，但自身并不參與反應(yīng)，而把能量轉(zhuǎn)移給另一化合物使之成為激發(fā)態(tài)參與反應(yīng)。吸光的物質(zhì)稱(chēng)為光敏劑（S），接受能量的化合物稱(chēng)為受體（A）。光敏化反應(yīng)可表示為：

S（S0）＋hv→S（S1）

S（S1）→S（T1）

S（T1）＋A（S0）→S（S0）＋A（T1）

A（T1）→參與反應(yīng)上述化學(xué)過(guò)程以光解最為重要，此過(guò)程可生成反應(yīng)性極強(qiáng)的碎片，從而引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)。第十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1.4大氣中重要?dú)怏w的光吸收由于高層大氣中的氧和臭氧近乎完全吸收了波長(zhǎng)λ＜290nm的紫外輻射，因此，低層大氣中的污染物主要吸收波長(zhǎng)λ＝300～700nm(相當(dāng)于398～167kJ／mol能量)范圍的光線(xiàn)。迄今為止，已知的比較重要的吸收光后能進(jìn)行光解的污染物主要有：NO2、O3、SO2、HONO、H2O2、RONO2、RONO、RCHO、RCOR’等。第十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日表10.1主要?dú)怏w的光吸收特征波段氣體主要的光吸收帶NO2290～410nmSO2340～400nm,240～330nm,180-240O3200～300nm,300～360nm,最強(qiáng)吸收在254nmHONO300～400nmHCHO290～360nm第十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日NO2是城市大氣中最重要的吸光物質(zhì)。在低層大氣中，它能吸收全部來(lái)自太陽(yáng)的紫外光和部分可見(jiàn)光。NO2在290～410nm內(nèi)有連續(xù)吸收光譜。波長(zhǎng)在300～370nm之間有90％的NO2吸收光子分解為NO和O；波長(zhǎng)λ＞370nm，光解反應(yīng)就很快下降；λ＞420nm，就不再發(fā)生光解。這是因?yàn)镹O和O之間的鍵能為305．4kJ／mol，相當(dāng)于400nm左右光波所提供的能量。即吸收光波長(zhǎng)λ≤420nm時(shí)，NO2可發(fā)生光解：NO2

＋hv→NO＋OO＋O2→O3第二十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日O3的光吸收特性紫外區(qū)有兩個(gè)吸收帶200～300nm和300～360nm，最強(qiáng)吸收在254nm，主要發(fā)生在平流層，由于臭氧的吸收，控制了到達(dá)對(duì)流層輻射的短波長(zhǎng)極限?？梢?jiàn)光區(qū)還有一個(gè)吸收帶，波長(zhǎng)為450～850nm這個(gè)吸收是很弱的。O3吸收紫外光后發(fā)生光解反應(yīng)：

O3

＋hv→O＋O2當(dāng)波長(zhǎng)λ＞290nm，O3對(duì)光的吸收就相當(dāng)弱了。因此O3主要吸收來(lái)自太陽(yáng)波長(zhǎng)λ＜290nm的紫外光。產(chǎn)物是否為激發(fā)態(tài)則取決于激發(fā)能(吸收光能)。在200～320nm之間O3光解生成的兩個(gè)產(chǎn)物都處于激發(fā)態(tài)；而320～440nm之間(O3光解反應(yīng)發(fā)生了自旋躍遷(O為3P態(tài))；450～850nm之間O3光解產(chǎn)物都為基態(tài)。第二十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日SO2的光吸收特性在SO2吸收光譜中有三條吸收帶。第一條為340～400nm，于370nm處有一強(qiáng)的吸收，但它是一個(gè)極弱的吸收區(qū)。第二條為240～330nm，是—個(gè)較強(qiáng)的吸收區(qū)。第三條從240nm開(kāi)始，隨波長(zhǎng)下降吸收變得很強(qiáng)，直到180nm，是一個(gè)很強(qiáng)的吸收區(qū)。SO和O之間鍵能為564.8kJ／mol，相當(dāng)于218nm的光波能量，因此240～400nm的光不能使其離解，即在對(duì)流層大氣中，SO2的光吸收并不發(fā)生光解反應(yīng)，而是形成二種激發(fā)態(tài)的SO2*

。SO2＋hv→3SO（三重態(tài)）或SO2＋hv→1SO2

（單重態(tài)）第二十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日HONO(亞硝酸)的光吸收特性HONO是對(duì)流層大氣中除NO2之外第二個(gè)重要的吸光物質(zhì)，它可以強(qiáng)烈吸收300～400nm范圍的光譜，并發(fā)生光解，一個(gè)初級(jí)過(guò)程為：

HONO＋hv→HO·＋NO這是對(duì)流層大氣中HO·自由基的主要來(lái)源。另一個(gè)初級(jí)過(guò)程為：

HONO＋hv→H·＋NO2次級(jí)過(guò)程為：

HO·＋NO→HNO2HO·＋HNO2→H2O＋NO2HO·＋NO2→HNO3第二十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日HCHO的光吸收特性HCHO也是對(duì)流層大氣中的重要吸光物質(zhì)，它能吸收290～360nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光、并進(jìn)行光解，初級(jí)過(guò)程為：

HCHO＋hv→H·＋HCO·HCHO＋hv→H2＋CO次級(jí)過(guò)程為：

HO·＋HCO·→H2＋CO2H·＋M→H2＋M2HCO·→H2＋2CO第二十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在對(duì)流層中，由于O2存在，初級(jí)過(guò)程生成的HCO·和H·自由基很快與O2反應(yīng)形成HO2·即：

H·＋O2→HO2·HCO·＋O2→HO2·＋CO其它醛類(lèi)的光解也可以同樣方式生成HO2·自由基，如乙醛光解：

CH3CHO＋hv→H·＋CH3CO·H·＋O2→HO2·所以醛類(lèi)的光解是大氣中HO2·自由基的主要來(lái)源。第二十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日過(guò)氧化物的光吸收性過(guò)氧化物ROOR’在300～700nm范圍內(nèi)有微弱吸收，過(guò)氧化物中O—O鍵能為143kJ／mol，C—O鍵能為350kJ／mol，R中的C—C鍵能為344kJ／mol，C—H鍵能為415kJ／mol，所以過(guò)氧化物發(fā)生的光解反應(yīng)如下：

ROOR’＋hv→RO·＋R’O·由此可見(jiàn)，大氣中光化學(xué)反應(yīng)(光解離)的產(chǎn)物主要為自由基。由于自由基的存在，使大氣中化學(xué)反應(yīng)活躍，它們能誘發(fā)或參與大量其它反應(yīng)，使一次污染物轉(zhuǎn)變成二次污染物。第二十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1.5光化學(xué)煙霧大氣中的烴和NOx等為一污染物，在太陽(yáng)光中紫外線(xiàn)照射下能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，衍生種種二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物（氣體和顆粒物）所形成的煙霧污染現(xiàn)象，稱(chēng)為光化學(xué)煙霧。NOx是這種煙霧的主要成分，又因其1946年首次出現(xiàn)在美國(guó)洛杉磯，因此又叫洛杉磯型煙霧，以區(qū)別于煤煙煙霧（倫敦型煙霧）。第二十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日這種洛杉磯型煙霧是由汽車(chē)的尾氣所引起，而日光在其中起了重要作用：2NO+O2→2NO2

NO2→NO+OO+O2→O3

NO2光分解成NO和氧原子時(shí)，光化學(xué)煙霧的循環(huán)就開(kāi)始了。原子氧會(huì)和氧分子反應(yīng)生成臭氧(O3)，O3是一種強(qiáng)氧化劑，O3與烴類(lèi)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物中有煙霧和刺激眼睛的物質(zhì)，如醛類(lèi)、酮類(lèi)等物質(zhì)。在此過(guò)程中，NO2還會(huì)形成另一類(lèi)刺激性強(qiáng)烈的物質(zhì)如PAN（硝酸過(guò)氧化乙酰）。另外，烴類(lèi)中一些揮發(fā)性小的氧化物會(huì)凝結(jié)成氣溶膠液滴而降低能見(jiàn)度。第二十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日目前對(duì)控制光化學(xué)煙霧的主要對(duì)策有：（1）控制污染源即控制NOx及烴的濃度，使的濃度符合大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。如改善汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)以降低燃料消耗、減少有害氣體排放，安裝尾氣催化轉(zhuǎn)化器以使尾氣無(wú)害化等等。（2）采用清潔能源如使用氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，利用氫氧燃料電池供電來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸工具（電動(dòng)車(chē)），利用電磁感應(yīng)的方法推動(dòng)火車(chē)（超導(dǎo)懸浮列車(chē)）等。第二十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日（3）使用化學(xué)抑制劑目的使消除自由基，以抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，從而控制光化學(xué)煙霧的形成。人們發(fā)現(xiàn)二乙基羥胺、苯胺、二苯胺、酚等對(duì)產(chǎn)生的自由基有不同程度的抑制作用，尤其是二乙基羥胺對(duì)光化學(xué)煙霧有較好的抑制作用。但抑制劑可能造成新的污染，許多科學(xué)家對(duì)此方法持有不同意見(jiàn)。第三十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2.太陽(yáng)能及其轉(zhuǎn)化第三十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2.1太陽(yáng)能概述2.2太陽(yáng)能利用(熱能轉(zhuǎn)換、電能轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、氫能轉(zhuǎn)化、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化和機(jī)械能轉(zhuǎn)換等方式)第三十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2.1太陽(yáng)能概述太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來(lái)源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說(shuō)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存下來(lái)的太陽(yáng)能。第三十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

由于太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，所以不斷地釋放出巨大的能量，并以輻射和對(duì)流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。由核聚變可知，氫聚合成氦在釋放巨大能量的同時(shí)，每1g質(zhì)量將虧損0.00729。根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲(chǔ)量足夠維持600億年，因此太陽(yáng)能可以說(shuō)是用之不竭的。第三十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日以下為有關(guān)太陽(yáng)能的一些數(shù)據(jù)：1.每年照射到地球表面的太陽(yáng)能，估計(jì)為1.78×1017W/a，約為目前全世界每年所需能量的一萬(wàn)多倍。2.其中有30%之太陽(yáng)能被反射回太空。3.約有50%為地球表面吸收后，再重新輻射出去，因此得以維持地球表面的溫度。4.約20%的太陽(yáng)能將地表的水蒸發(fā)成水蒸氣，形成云、雨及空氣的流動(dòng)(水力和風(fēng)力的由來(lái))，同時(shí)也造成海洋表面和底層的溫差。5.只有很小的比例(約0.06%)用於進(jìn)行植物生長(zhǎng)所需的光合作用，太陽(yáng)能被轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存在植物體內(nèi)碳?xì)浠衔锏幕瘜W(xué)能。第三十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。但太陽(yáng)能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響，不能維持常量。這兩大缺點(diǎn)大大限制了太陽(yáng)能的有效利用。第三十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)能利用的優(yōu)點(diǎn)

1、

普遍性：太陽(yáng)光照射的面積散布在地球大部分角落，僅差入射角不同而造成的光能有異，但至少不會(huì)被少數(shù)國(guó)家或地區(qū)壟斷，造成無(wú)謂的能源危機(jī)。2、

永久性：太陽(yáng)的能量極其龐大，科學(xué)家計(jì)算出至少有六百萬(wàn)年的期限，對(duì)于人類(lèi)而言，這樣的時(shí)間可謂是無(wú)限。3、無(wú)污染性：現(xiàn)今使用最多的礦物能源，其滋生的問(wèn)題不外是廢物的處理，物體不滅，能源耗竭越多，產(chǎn)生污染也相對(duì)增加，太陽(yáng)能則無(wú)危險(xiǎn)性及污染性。太陽(yáng)能利用的缺點(diǎn)1、穩(wěn)定性差：受日夜季候的影響，太陽(yáng)能不斷地生變化。2、

裝置成本過(guò)高：吸收太陽(yáng)能的受光面積須達(dá)一定規(guī)模方有效果，因此相對(duì)地成本提高。3、

污染問(wèn)題：有人針對(duì)太陽(yáng)能的污染問(wèn)題提出“目視污染”，即龐大的太陽(yáng)能收集器造成視覺(jué)上的污染。第三十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2.2太陽(yáng)能利用(熱能轉(zhuǎn)換、電能轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、氫能轉(zhuǎn)化、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化和機(jī)械能轉(zhuǎn)換等方式)第三十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光熱轉(zhuǎn)換光熱轉(zhuǎn)換即靠各種集熱器把太陽(yáng)能收集起來(lái)，用收集到的熱能為人類(lèi)服務(wù)。早期最廣泛的太陽(yáng)能應(yīng)用是將水加熱，現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能熱水裝置。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要包括收集器、儲(chǔ)存裝置及循環(huán)管路三部分。第三十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)能的光—熱轉(zhuǎn)換是目前技術(shù)最為成熟、成本最為低廉、因而應(yīng)用最為廣泛的形式。其基本原理是將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)利用溫室效應(yīng)來(lái)加熱物體而獲得熱能，如地膜、大棚、溫室等。目前使用較多的太陽(yáng)能收集裝置有兩種：一種是平板式集熱器，如太陽(yáng)能熱水器等；另一種是聚焦型集熱器，如反射式太陽(yáng)灶、高溫太陽(yáng)爐等。第四十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日山東德州經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)袁橋鄉(xiāng)莊科村建起了村集體太陽(yáng)能浴室第四十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、按傳熱介質(zhì)分類(lèi)：可分為液體集熱器和空氣集熱器兩大類(lèi)，其中以液體為傳熱介質(zhì)的大多用水作介質(zhì)，即構(gòu)成各種太陽(yáng)能熱水器；以空氣為傳熱介質(zhì)的，則構(gòu)成多種太陽(yáng)能干燥器。太陽(yáng)能集熱器的核心是吸熱板，它的功能是吸收太陽(yáng)的輻射能，并向傳熱介質(zhì)傳遞熱量。在以液體為介質(zhì)時(shí)，此種吸熱板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金屬材料和非金屬材料制成。吸熱板的向陽(yáng)表面涂有黑色吸熱涂層。以空氣為傳熱介質(zhì)的太陽(yáng)能集熱器吸熱板的結(jié)構(gòu)常有網(wǎng)格式、蜂窩式和多孔床式等。太陽(yáng)能集熱器的分類(lèi)：第四十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、按采光方式分類(lèi)：可分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器兩大類(lèi)。非聚光式集熱器是利用熱箱原理（也稱(chēng)溫室效應(yīng)）將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的設(shè)備。最常見(jiàn)的太陽(yáng)能集熱器是非聚光式平板型集熱器。它的吸熱體基本上為平板形狀，吸熱面積與采光面積近似相等，其結(jié)構(gòu)如圖（a）是利用溫室效應(yīng)的非聚光型集熱器。在溫室充入CO2可提高溫室效應(yīng)。

聚光型集熱器利用聚焦原理，即利用光線(xiàn)的反射和折射原理，采用反射器或折射器使陽(yáng)光改變方向，把太陽(yáng)光聚集集中照射在吸熱體較小的面積上，增大單位面積的輻射強(qiáng)度，從而使集熱器獲得更高的溫度。世界上最大的一面太陽(yáng)能聚光集熱器是法國(guó)比利牛斯山坡上的太陽(yáng)能高溫爐。它的拋物面聚光反射鏡有9層樓高，面積有1830米2，它是由9500塊小鏡片拼接而成的。反射鏡把安裝在對(duì)面山坡上的63塊巨型平面鏡反射過(guò)來(lái)的陽(yáng)光聚焦，焦點(diǎn)處安裝高溫熔爐，溫度可達(dá)4000度以上。第四十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日3、按吸熱體周?chē)臓顟B(tài)分類(lèi)：可分為普通集熱器和真空管集熱器。

真空管集熱器是在玻璃壁與吸熱體之間抽成一定的真空度，以抑制空氣的對(duì)流和傳導(dǎo)熱損。吸熱體表面鍍上一種特殊的涂層代替黑色的吸熱板，還可抑制吸熱體的輻射熱損。因此，真空管集熱器具有比普通平板型集熱器更優(yōu)良的熱性能。在高溫和低溫環(huán)境下均有較高的集熱效率。真空管集熱器按其材料結(jié)構(gòu)可分為全玻璃型和金屬吸熱體型兩大類(lèi)。其中全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管具有透過(guò)率和吸收率高、熱反射率低、對(duì)流熱損小以及全年使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)良特性，同時(shí)制造工藝簡(jiǎn)便，技術(shù)成熟可靠，成本較低，全玻璃真空管熱水器的使用日益廣泛。第四十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換即將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。目前，太陽(yáng)能用于發(fā)電的途徑有二：一是熱發(fā)電，就是先用聚熱器把太陽(yáng)能變成熱能，再通過(guò)汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽欢枪獍l(fā)電，就是利用太陽(yáng)能電池的光電效應(yīng)，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。圖為利用太陽(yáng)能電池提供動(dòng)力的太陽(yáng)能飛機(jī)。第四十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光伏板組件是一種暴露在陽(yáng)光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒(méi)有活動(dòng)的部分，故可以長(zhǎng)時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。簡(jiǎn)單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋照明，并為電網(wǎng)供電。光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電力。近年，天臺(tái)及建筑物表面均會(huì)使用光伏板組件，甚至被用作窗戶(hù)、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱(chēng)為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)。第四十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

現(xiàn)在，太陽(yáng)能的利用還不很普及，利用太陽(yáng)能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，但是太陽(yáng)電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。目前對(duì)於降低太陽(yáng)能電池價(jià)格的發(fā)展分成兩個(gè)方向，一邊是致力於光線(xiàn)的獲取并增加轉(zhuǎn)換效率，另一邊則是專(zhuān)注於制造更現(xiàn)代的高效率電池，開(kāi)發(fā)更便宜的物質(zhì)或降低制程的成本。

目前，全球最大的屋頂太陽(yáng)能面板系統(tǒng)位于德國(guó)南部比茲塔特(Buerstadt)，面積為四萬(wàn)平方米，每年的發(fā)電量為450萬(wàn)千瓦。

日本為了達(dá)成京都議定書(shū)的二氧化碳減量要求，全日本都普設(shè)太陽(yáng)能光電板，位于日本中部的長(zhǎng)野縣飯?zhí)锸?，居民在屋頂設(shè)置太陽(yáng)能光電板的比率甚至達(dá)2%，堪稱(chēng)日本第一。第四十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

我國(guó)的太陽(yáng)能光電技術(shù)自70年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)“六五”“七五”、“八五”三個(gè)五年計(jì)劃攻關(guān)，有了一定的發(fā)展，但比起太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)顯得勢(shì)單力薄?，F(xiàn)有光電生產(chǎn)廠家6家，年生產(chǎn)能力為4～4.4MW，實(shí)際的銷(xiāo)量為2.0～2.5MW，平均以15～20%的速度增長(zhǎng)。產(chǎn)品主要為單晶硅光電池和非晶硅電池，其他類(lèi)型的光電池目前還處于研制階段。單晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)14%，實(shí)驗(yàn)室最高為20%，組件制造成本30～35元/W，售價(jià)42～48元/W。單結(jié)非晶硅太陽(yáng)電池的穩(wěn)定效率5～8.5%，實(shí)驗(yàn)室最高效率為8.35%，制造成本3元/W，售價(jià)為24元/W。目前為止，我國(guó)太陽(yáng)能光電系統(tǒng)的總安裝容量在10MW.p以上，多數(shù)用于交通信號(hào)、通信和陰極保護(hù)等方面，約占60%以上，其余用于我國(guó)西部陽(yáng)光資源豐富的邊遠(yuǎn)地區(qū)。第四十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1.目前太陽(yáng)能電池的種類(lèi)主要有硅、硫化鎘、砷化鎵等電池。2.電池技術(shù)較成熟，主要用于航天、無(wú)人燈塔、無(wú)線(xiàn)電中繼站、無(wú)人氣象站、浮標(biāo)和電圍欄等作為電源。光電轉(zhuǎn)換利用太陽(yáng)能的形式：第四十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日光化轉(zhuǎn)換光化轉(zhuǎn)換即先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，再轉(zhuǎn)換為電能等其他能量。我們知道，植物靠葉綠素把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)自身的生長(zhǎng)與繁衍，若能揭示光化轉(zhuǎn)換的奧秘，便可實(shí)現(xiàn)人造葉綠素發(fā)電。目前，太陽(yáng)能光化轉(zhuǎn)換正在積極探索、研究中。第五十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在陽(yáng)光輻照下TiO2之類(lèi)寬頻帶間隙半導(dǎo)體，可對(duì)水的電解提供所需能量，并析出O2和H2，從而在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生了一門(mén)新興學(xué)科--光電化學(xué)。隨著光電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗(yàn)的發(fā)展，使得太陽(yáng)能制氫成為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。第五十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1995年，美國(guó)科學(xué)家利用光電化學(xué)轉(zhuǎn)換中半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面產(chǎn)生的隔柵電壓，通過(guò)固定兩個(gè)光粒子床的方法，來(lái)解決水的光催化分離問(wèn)題取得成功。其兩個(gè)光粒子床概念的光電化學(xué)水分解機(jī)制為：H2的光反應(yīng)4H2O+4M°→2H2+4OH-+4M+O2的光反應(yīng)4OH-+M+→O2+2H2O+4M°凈結(jié)果為：2H2O→2H2+O2(其中M為氧化還原介質(zhì))第五十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日在太陽(yáng)能制氫產(chǎn)業(yè)方面，1990年德國(guó)建成一座500kW太陽(yáng)能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽(yáng)能制氫廠。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4800萬(wàn)美元，在每年有300個(gè)晴天的塔爾沙漠中建造一座500kW太陽(yáng)能電站制氫，用光伏-電解系統(tǒng)制得的氫。自90年代以來(lái)，德、英、日、美等國(guó)已投資積極進(jìn)行氫能汽車(chē)的開(kāi)發(fā)。美國(guó)佛羅里達(dá)太陽(yáng)能中心研究太陽(yáng)能制氫(SH)已達(dá)10年之久，最近用SH作為汽車(chē)燃料-壓縮天然氣的一種添加劑，使SH在高價(jià)值利用方面獲得成功，為氫燃料汽車(chē)的實(shí)用化提供了重要基礎(chǔ)。其他，在對(duì)重量十分敏感的航天、航空領(lǐng)域以及氫燃料電池和日常生活中“貯氫水箱”的應(yīng)用等方面氫能都將獲得特別青睞。第五十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日生物質(zhì)能生物質(zhì)能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽(yáng)能，最有可能成為21世紀(jì)主要的新能源之一。據(jù)估計(jì)，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的l%。這些未加以利用的生物質(zhì)，為完成自然界的碳循環(huán)，其絕大部分由自然腐解將能量和碳素釋放，回到自然界中。生物質(zhì)燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低下，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重。通過(guò)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可以高效地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔燃料，替代煤炭，石油和天然氣等燃料，生產(chǎn)電力。而減少對(duì)礦物能源的依賴(lài)，保護(hù)國(guó)家能源資源，減輕能源消費(fèi)給環(huán)境造成的污染。第五十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、通過(guò)光合作用使太陽(yáng)能吸收和儲(chǔ)存在生物質(zhì)內(nèi)經(jīng)過(guò)化學(xué)和生物處理，制成液體或固體燃料。2、將糖類(lèi)作物、谷物和植物纖維作原料，生產(chǎn)燃料酒精，滲到汽油中合成酒精汽油，例如巴西已從甘蔗中提煉酒精和汽油合成汽車(chē)用油。、3、發(fā)展薪炭林。燒炭是一種古老的生物能利用方式，若有計(jì)劃的植林，不僅可作燃料以及作為酒精沼氣原料，而且還能保護(hù)環(huán)境，防止水土流失。4、將高等有機(jī)廢物進(jìn)行分解，在厭氧微生物作用下，可產(chǎn)生沼氣。5、尚在研究利用藻類(lèi)和某些微生物的光合作用，在陽(yáng)光下分解制氫，提供燃料。生物轉(zhuǎn)換利用太陽(yáng)能的方式：第五十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

生物質(zhì)能源將成為未來(lái)持續(xù)能源重要部分，到2015年，全球總能耗將有40%來(lái)自生物質(zhì)能源。光合作用即利用空氣中的二氧化碳和土壤中的水，將吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為碳水化合物和氧氣的過(guò)程，光合作用是生命活動(dòng)中的關(guān)鍵過(guò)程，植物光合作用的簡(jiǎn)單過(guò)程如下：水+二氧化碳太陽(yáng)能----->植物有機(jī)體+氧第五十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用。據(jù)估計(jì)地球上每年植物光合作用固定的碳達(dá)2×1011t，含能量3×1021J，因此每年通過(guò)光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽(yáng)能，相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。生物質(zhì)遍布世界各地，其蘊(yùn)藏量極大，僅地球上的植物，每年生產(chǎn)量就像當(dāng)于目前人類(lèi)消耗礦物能的20倍，或相當(dāng)于世界現(xiàn)有人口食物能量的160倍。雖然不同國(guó)家單位面積生物質(zhì)的產(chǎn)量差異很大，但地球上每個(gè)國(guó)家都有某種形式的生物質(zhì)，生物質(zhì)能是熱能的來(lái)源，為人類(lèi)提供了基本燃料。第五十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日國(guó)外生物質(zhì)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用早已引起世界各國(guó)政府和科學(xué)家的關(guān)注。有許多國(guó)家都制定了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃，在日本的陽(yáng)光計(jì)劃、印度的綠色能源工程、美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)和巴西的酒精能源計(jì)劃等發(fā)展計(jì)劃。其它諸如丹麥、荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、芬蘭等國(guó)，多年來(lái)一直在進(jìn)行各自的研究與開(kāi)發(fā)，并形成了各具特色的生物質(zhì)能源研究與開(kāi)發(fā)體系，擁有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。第五十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日沼氣技術(shù)

主要為厭氧法處理禽畜糞便和高濃度有機(jī)廢水，是發(fā)展較早的生物質(zhì)能利用技術(shù)。80年代以前，發(fā)展中國(guó)家主要發(fā)展沼氣池技術(shù)，以農(nóng)作物秸稈和禽畜糞便為原料生產(chǎn)沼氣作為生活炊事燃料。如印度和中國(guó)的家用沼氣池；而發(fā)達(dá)國(guó)家則主要發(fā)展厭氧技術(shù)，處理禽畜糞便和高濃度有機(jī)廢水。目前，日本、丹麥、荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家均普遍采取厭氧法處理禽畜糞便，而象印度、菲律賓、泰國(guó)等發(fā)展中國(guó)家也建設(shè)了大中型沼氣工程處理禽畜糞便的應(yīng)用示范工程。采用新的自循環(huán)厭氧技術(shù)。荷蘭IC公司已使啤酒廢水厭氧處理的產(chǎn)氣率達(dá)到10m3/m3.d的水平，從而大大節(jié)省了投資、運(yùn)行成本和占地面積。第五十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日美國(guó)、英國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家將沼氣技術(shù)主要用于處理垃圾，美國(guó)紐約斯塔藤垃圾處理站投資2000萬(wàn)美元，采用濕法處理垃圾，日產(chǎn)26萬(wàn)m3沼氣，用于發(fā)電、回收肥料，效益可觀，預(yù)計(jì)10年可收回全部投資。英國(guó)以垃圾為原料實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電18MW，今后10年內(nèi)還將投資1.5億英鎊，建造更多的垃圾沼氣發(fā)電廠。第六十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日生物質(zhì)熱裂解氣化

早在70年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、加拿大、歐共體諸國(guó)，就開(kāi)始了以生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)，到80年代，美國(guó)就有19家公司和研究機(jī)構(gòu)從事生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)；加拿大12個(gè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室在開(kāi)展生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)的研究；此外，菲律賓、馬來(lái)西亞、印度、印尼等發(fā)展明家也先生開(kāi)展了這方面的研究。芬蘭坦佩雷電力公司開(kāi)始在瑞典建立一座廢木材氣化發(fā)電廠，裝機(jī)容量為60MW,產(chǎn)熱65MW,1996年運(yùn)行：瑞典能源中心取得世界銀行貸款，計(jì)劃在巴西建一座裝機(jī)容量為20-3OMW的發(fā)電廠，利用生物質(zhì)氣化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等先進(jìn)技術(shù)處理當(dāng)?shù)刎S富的蔗渣資源。第六十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日生物質(zhì)液體燃料

另一項(xiàng)令人關(guān)注的技術(shù)，因?yàn)樯镔|(zhì)液體燃料，包括乙醇、植物油等，可以作為清潔燃料直接代替汽油等石油燃料。巴西是乙醇燃料開(kāi)發(fā)應(yīng)用最有特色的國(guó)家，70年代中期，為了擺脫對(duì)進(jìn)口石油的過(guò)度依賴(lài)，實(shí)施了世界上規(guī)模最大的乙醇開(kāi)發(fā)計(jì)劃，到1991年，乙醇產(chǎn)量達(dá)到130億升，在980萬(wàn)輛汽車(chē)中，近400萬(wàn)輛為純乙醇汽車(chē)，其余大部分燃用20%的乙醇-汽油混合燃料，也就是說(shuō)乙醇燃料已占汽車(chē)燃料消費(fèi)量的50%以上。1996年，美國(guó)可再生資源實(shí)驗(yàn)室已研究開(kāi)發(fā)出利用纖維素廢料生產(chǎn)酒精的技術(shù)，由美國(guó)哈斯科爾工業(yè)集團(tuán)公司建立了一個(gè)1MW稻殼發(fā)電示范工程：年處理稻殼12，000噸，年發(fā)電量800萬(wàn)度，年產(chǎn)酒精2，500噸，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。第六十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日其它技術(shù)

此外,生物質(zhì)壓縮技術(shù)可書(shū)固體農(nóng)林廢棄物壓縮成型,制成可代替煤炭的壓塊燃料。如美國(guó)曾開(kāi)發(fā)了生物質(zhì)顆粒成型燃料：泰國(guó)、菲律賓和馬來(lái)西亞等第三世界國(guó)家發(fā)展了棒狀成型燃料。第六十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日我國(guó)的生物質(zhì)能源

我國(guó)基本上是一個(gè)農(nóng)業(yè)國(guó)家農(nóng)村人口占總?cè)丝诘?0%以上，生物質(zhì)一直是農(nóng)村的主要能源之一，在國(guó)家能源構(gòu)成中也占有益要地位。

生物質(zhì)