森林光伏电站

孟庆华

上海交通大学化学与化工学院

副教授

1　概要描述与关键路径要点

1.1　绿色植物中的能量转化及发电

树叶是光合作用的场所，具有优良的结构和功能特性、较高的光捕获效率和能量转换效率，绿色植物能量转化效率最高可以达到33%。研究中发现，树叶微观结构能从五个角度提高光的捕获效率。① 叶片表皮细胞的光学聚焦；② 光波在维管束鞘细胞管状平行结构内的传输；③ 光波在叶脉组织多孔结构中的多次散射与吸收；④ 光波在类似于光波导的柱状栅栏组织叶肉细胞内的传播；⑤ 叶绿体基粒类囊体三维纳米层片堆垛结构提高光接触面积和电荷分离速率。植物在光合作用的过程中会产生生物电化学反应，生成碳水化合物和氧气。如果用人工的方法控制这个产生电流的过程，就可以积累、导出此过程中的电量，实现生物发电。

有研究表明，在一些植物盆栽中设置一些电极，就可以及时导出植物在进行光合作用时产生的电量，如图1所示。另外，将植物中内提取的叶绿素与卵磷脂混合，涂在透明的氧化锡结晶片上，用它作为正极安置在透明电池中，当它被太阳光照射时，就会产生电流，最高可把太阳能的30%转换成电能。

按照能量守恒原理，把植物光合作用的能量用于发电，必然会影响植物的生长，即减少碳水化合物这一类营养物质的生成。因此，未来将主要采用长成的树木来发电，就不会用粮食作物、蔬菜和果树来发电，也不存在影响其生长壮大，而且还省却了修剪的烦恼。这样，将来的森林以及城市的行道树，不但有净化空气、维持生态平衡的作用，还可以实现分布式发电，提供分散零散的用电需求，比如路灯照明，手机、电动车充电等。

图1　绿色植物中的能量转化及发电^[1]

1.2　技术可行性及挑战

生物发电是将具有绿色植物体的光合作用性质和燃料电池技术相结合的新型光电池，具体技术途径为：

（1）绿色植物细胞吸收太阳能，经光合作用和呼吸作用产生质子和电子。

（2）质子和电子经细胞内的醌类等物质传输到细胞外表面。

（3）细胞外表面的电子转移到工作电极表面，质子通过溶液扩散穿过质子交换膜到达阴极室。

图2　生物发电的技术途径

（4）工作电极上的电子通过外接电路传输到对电极，与穿过质子交换膜进行阴极室的质子在辅助电极上发生反应，从而形成循环。

技术挑战：

（1）持久发电。因为用于生物发电的核心物质如叶绿素是天然有机物，在高电流长时间工作后可能容易分解，从而失去吸收转化太阳能的功效。

（2）电极设计与安装。

（3）电能输送与存储。

2　应用意义与前景

在城市行道树上安装电极，其白天获得的电力足够在夜晚点亮城市的LED街灯。该项利用植物发电的技术项目也很适合应用在城市建筑物和房屋的屋顶。

研究表明，在植物盆栽中设置一些电极，就可以及时搜集植物在进行光合作用时产生的电量，可用于台灯照明。目前，一盆直径1 m的蕨类植物可以产生100 W的电能，在阳光灿烂的日子一天可以产生将近1度电。

新技术装备还可以用于现有的稻田和各类湿地。工程师可在湿地水平面以下放置管道，像泥炭沼泽、红树林、稻田或三角洲等均可如法炮制，进行发电。当然，最集中的应用场所应该是森林，可以形成大规模的森林光伏发电站。

【注释】

[1]http://yyanyh,blog,163.com/blog/static/7924990220121201111111944.