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如何高效利用太陽能_煤炭清潔高效利用

發(fā)布時(shí)間:2020-04-03 來源: 人生感悟 點(diǎn)擊:

  3月11日,日本地震和海嘯導(dǎo)致福島核電站發(fā)生7級(jí)事故;5月31日,德國(guó)宣布將停止使用核電站。與此同時(shí),國(guó)際原油價(jià)格維持高位運(yùn)行,化石能源的枯竭也近在眼前,太陽能轉(zhuǎn)化效率遲遲得不到提高,風(fēng)能發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)沒有突破性進(jìn)展且不能平穩(wěn)輸出電能,水能開發(fā)帶來的局部生態(tài)問題成為開發(fā)之痛。
  吃太陽的家伙們
  事實(shí)上,無論國(guó)際能源形勢(shì)如何變化,很長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi),人類的能源仍然需要依靠太陽,這個(gè)可以供給功率達(dá)12萬太瓦(1太瓦=1萬億瓦)巨大能量的反應(yīng)堆,是人類取之不竭的能量源泉,只要收集1小時(shí)的太陽能,就可以滿足目前人類全年的能源需求。為了接受太陽的能量,自然界早已為我們準(zhǔn)備好了光合作用發(fā)電廠――綠色植物,我們所要做的就是提高它們的生產(chǎn)效率,并將它們生產(chǎn)的“能量塊”并入我們的能量系統(tǒng)。
  雖然太陽光的總量可觀,但是其分布并不均勻,且不說季節(jié)交替造成的日照長(zhǎng)短變化,單單是陰晴變化就能在很大程度上影響植物光合作用的效率。當(dāng)光照強(qiáng)度下降到正常值一半的時(shí)候,玉米的產(chǎn)量甚至?xí)陆?0%之多。更重要的是,這些吃不飽的植物會(huì)放棄開花結(jié)果,僅僅在水稻籽粒發(fā)育期間降低光照,產(chǎn)量因此會(huì)下降40%以上;而陰雨天的桃子不甜,也是因?yàn)槿~片無法為它們輸送蔗糖造成的?磥,植物吃不夠陽光,以果實(shí)、籽粒為食的人類恐怕要面臨比恐龍更嚴(yán)峻的食物危機(jī)了。
  當(dāng)然植物也不會(huì)坐以待斃,它們會(huì)想方設(shè)法提高產(chǎn)量。桃樹葉片在長(zhǎng)時(shí)間的弱光條件下,會(huì)變得更薄更大,增加跟光線的親密接觸。同時(shí),它們還會(huì)調(diào)整葉片中的葉綠素組成,制造出更多的葉綠素b,捕捉那些平常從葉片間輕易溜走的短波(藍(lán)紫色)漫射光。
  在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程中,植物只選擇了吸收紅光的葉綠素a和吸收藍(lán)紫光的葉綠素b,利用光的強(qiáng)度著實(shí)有限。實(shí)際上,為了應(yīng)對(duì)弱光環(huán)境,還有些植物還衍生出了吸收長(zhǎng)波光線的色素。就在不久前,研究人員在西澳大利亞鯊魚灣的一個(gè)藻青菌菌落中偶然提取到這種葉綠素,將其命名為葉綠素f。實(shí)驗(yàn)表明,葉綠素f可通過吸收光譜上限為720納米的光參與光合作用,它們吸收的光線已經(jīng)處于近紅外區(qū)域,比葉綠素b和葉綠素a的吸收光譜更接近紅外。擁有此類色素的植物,可以大大擴(kuò)展種植范圍,甚至有可能在日后的星際旅行中發(fā)揮重要作用――我們很可能會(huì)碰上紅外光占優(yōu)勢(shì)的恒星星系。
  就目前而言,如果把這些色素的吸收能力都綜合起來,得到的綜合吸收能力強(qiáng)大的植物,會(huì)比如今的植物捕捉到更多的太陽光子,可以大大提高對(duì)太陽光的利用效率。
  玉米和水稻的不同
  不過話說回來,低光照不好,高光照更有害。那些被葉綠素吸收但又使用不完的能量,會(huì)唆使活性氧出來搗亂,破壞葉綠體和細(xì)胞結(jié)構(gòu),植物也面臨被曬傷的后果。
  要解決這個(gè)問題,就需要將葉綠素吸收到的能量迅速用光,儲(chǔ)存到糖類物質(zhì)中去。而這個(gè)又跟葉片吸收二氧化碳的能力密切相關(guān)?茖W(xué)家們把目光投向了以玉米為代表的C4植物。
  與一般的以水稻為代表的C3植物等待二氧化碳滲入氣孔參與光合作用不同,C4植物可以先將二氧化碳與一種叫磷酸烯醇式丙酮酸物質(zhì)結(jié)合形成草酰乙酸(分子中有4個(gè)碳原子)儲(chǔ)存起來。這就像在葉片中安裝了一臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī),大大提高了反應(yīng)的強(qiáng)度和效率?蒲腥藛T正嘗試將C4植物(如玉米)的基因?qū)隒3植物(如水稻)中去,并且取得了初步成果,這些轉(zhuǎn)基因的植物表現(xiàn)出了部分C4植物的特征,為提高光合作用效率和作物產(chǎn)量提供了新的思路。
  當(dāng)然,如果像我們這樣的動(dòng)物也能進(jìn)行光合作用,那就減少了很多能源制造和運(yùn)輸,至少生產(chǎn)食物的費(fèi)用能削減不少。不過,目前來看這只是幻想罷了。一個(gè)正常成年人在不運(yùn)動(dòng)的情況下,每天要消耗大約4600千焦的熱量?墒悄壳鞍l(fā)現(xiàn)的光合機(jī)器并不像汽車引擎那么強(qiáng)悍。除去呼吸作用,每平方米葉片在一個(gè)大晴天中只能生產(chǎn)4-6克的干物質(zhì),即便是把頭頂和腳底板的面積都算上,成年人的平均體表面積不過2平方米,按能量最高的干物質(zhì)――脂肪計(jì)算(其實(shí)干物質(zhì)大部分是能量不到脂肪一半的碳水化合物),相當(dāng)于最多積累445千焦的能量,勉強(qiáng)夠你閱讀這份雜志所需的能量。如果不長(zhǎng)點(diǎn)支支叉叉,或者像蝙蝠有可以伸縮的皮膜來吸收陽光,恐怕即使全裸在陽光下也吸收不到足夠的能量。

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