生物光伏系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)

在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最需要研發(fā)太陽能的使用。人類社會正面臨著煤炭、石油、天然氣等能源枯竭的危機(jī)。為此，近20多年來，我國政府高度重視能源資源的保護(hù)與開發(fā)利用，科學(xué)家們也在加速尋找取之不盡用之不竭的可再生能源，來解決不可再生能源的嚴(yán)重不足，切實(shí)保障經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要。

生物光伏(BPV)利用微生物(如藍(lán)藻)作為光電轉(zhuǎn)換材料，具有碳中性?良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點(diǎn)。據(jù)媒體近日報(bào)道，為了提高BPV光電轉(zhuǎn)化效率，中科院微生物所李寅研究組另辟蹊徑，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了一個具有定向電子流的合成微生物組，來解決藍(lán)藻直接產(chǎn)電活性微弱的問題，有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術(shù)。

該研究成果引起了全球業(yè)界的高度關(guān)注。那么，傳統(tǒng)光伏發(fā)電的主要原理是什么，又會產(chǎn)生哪些負(fù)面問題?除了光電轉(zhuǎn)化效率，評價(jià)光伏發(fā)電效能和環(huán)保性能的指標(biāo)還有哪些?生物光伏的發(fā)電原理是什么，其生物光伏技術(shù)還存在那些問題?新技術(shù)又到底有著哪些創(chuàng)新之處?

傳統(tǒng)光伏發(fā)電存在時域和地域限制

業(yè)內(nèi)人士告訴記者，人類在歷史進(jìn)程中曾長期依賴可再生能源，如薪柴、秸稈等屬于生物質(zhì)能源，這些能源大部分都來自太陽能的轉(zhuǎn)化，是可以再生的能源資源。

“傳統(tǒng)光伏發(fā)電主要利用了半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)。具體說，就是當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面后，滿足條件的光能會被吸收從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴，這兩者合稱為載流子。”江南大學(xué)理學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系副研究員席曦接受記者采訪時表示，如果我們想辦法把這些載流子導(dǎo)出來，就可將光能轉(zhuǎn)換成電能輸出。

席曦認(rèn)為，目前，光伏發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域還是具有比較大優(yōu)勢的。相對于風(fēng)能而言，光伏發(fā)電的安裝可以分布到各家各戶，每一個老百姓只要有一定的場地均可以或大或小的安裝光伏發(fā)電系統(tǒng);而風(fēng)能發(fā)電普通老百姓是無法安裝的。

“但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在時域和地域的限制。時域的限制主要有：光伏發(fā)電系統(tǒng)只能白天發(fā)電，晚上不能用;甚至北方有積雪覆蓋、沙塵覆蓋時，白天的發(fā)電也會受限;同時白天的光強(qiáng)也有很大的不確定性，時而飄過一朵云，時而被樹蔭遮擋一下，都會影響發(fā)電量，因此整個光伏發(fā)電系統(tǒng)如果并網(wǎng)的話，對電網(wǎng)的沖擊比較大，需要做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制和電網(wǎng)的調(diào)控。”席曦說。

但席曦表示，目前廣泛使用的硅基太陽能電池會產(chǎn)生諸如酸、堿、金屬廢水和廢氣等，雖然產(chǎn)品本身對環(huán)境友好，生產(chǎn)過程中需要對排廢做到嚴(yán)格處理和把控，其回收、分離、再利用還面臨很多環(huán)境挑戰(zhàn)。

生物光伏具有更高的轉(zhuǎn)換效率

專家們普遍認(rèn)為，生物光伏相對于傳統(tǒng)光伏具有更高的轉(zhuǎn)換效率，將更加有利于環(huán)境、能源的可持續(xù)發(fā)展。生物質(zhì)能主要是指植物通過葉綠素的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。

生物光伏利用光合微生物(如藍(lán)藻)作為光電轉(zhuǎn)換材料，具有碳中性、良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點(diǎn)。但目前生物光伏發(fā)電最大的問題是，BPV系統(tǒng)的輸出功率很低，比太陽能光伏低3個數(shù)量級以上。其主要原因是藍(lán)藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率，但產(chǎn)電活性很弱。在直接改造藍(lán)藻以強(qiáng)化其產(chǎn)電活性方面，至今仍沒有突破，難以走向應(yīng)用。

記者了解到，李寅研究組成功合成的微生物組，由一個能夠?qū)⒐饽軆Υ嬖赿-乳酸的工程藍(lán)藻和一個能夠高效利用d-乳酸產(chǎn)電的希瓦氏菌組成。在這個合成微生物組中，d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。李寅稱，藍(lán)藻吸收光能并固定二氧化碳來合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進(jìn)行產(chǎn)電，由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流，完成從光能到化學(xué)能再到電能的能量轉(zhuǎn)化過程。

克服兩種微生物之間生理不相容難題

記者了解到，李寅研究組的創(chuàng)新之處在于通過在遺傳、環(huán)境和裝置層面的設(shè)計(jì)、改造和優(yōu)化，他們有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問題。由此創(chuàng)建的雙菌生物光伏系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率輸出，其最大功率密度比目前的單菌生物光伏系統(tǒng)普遍提高10倍以上。據(jù)資料顯示，李寅研究組采用連續(xù)流加培養(yǎng)方式，使得該雙菌生物光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)長達(dá)40天以上的功率輸出，且平均功率密度達(dá)到較高水平，產(chǎn)電時長和單裝置輸出功率均達(dá)到了目前BPV系統(tǒng)的最高水平。

尤其值得一提的是，這是國際上首次利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng)建生物光伏系統(tǒng)，也是我國第一臺生物光伏原型裝置。研究表明，合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉(zhuǎn)化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認(rèn)識，為進(jìn)一步提升BPV光電轉(zhuǎn)化效率奠定了重要基礎(chǔ)。

專家們認(rèn)為，雖然生物光伏為太陽能利用提供了一條生物學(xué)路徑，但這是一個全新的交叉學(xué)科。應(yīng)該說，生物光伏目前在我國仍處于研發(fā)階段，要真正走向規(guī)模應(yīng)用，還有很長的路要走。相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。