人類社會正面臨著煤炭、石油、天然氣等能源枯竭的危機。為此,近20多年來,我國政府高度重視能源資源的保護與開發(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,切實保障經(jīng)濟和社會發(fā)展需要。
生物光伏(BPV)利用微生物(如藍藻)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。據(jù)媒體近日報道,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)生哪些負面問題? 除了光電轉(zhuǎn)化效率,評價光伏發(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。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。在直接改造藍藻以強化其產(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、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)定實現(xiàn)長達40天以上的功率輸出,且平均功率密度達到較高水平,產(chǎn)電時長和單裝置輸出功率均達到了目前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識,為進一步提升BPV光電轉(zhuǎn)化效率奠定了重要基礎(chǔ)。
專家們認為,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。