太阳能光合生物连续制氢系统的火用分析研究

论文摘要

本论文是在国家自然科学基金项目“超微秸秆类生物质光合连续产氢过程及代谢热研究”(项目编号50976029)和国家863计划项目“中小型太阳能光合生物制氢系统及其生产性运行研究”(项目编号2006AA05z119)的资助下完成的。随着低碳经济成为世界环境日的主题和哥本哈根气候大会的召开,合理用能和加强各方面节能的管理,成为降低能源消耗、提高能源效率和应对能源短缺和环境污染的有效措施。未来中国可持续发展的基础和必由之路也将是转变传统经济增长方式、大力推进节能减排和发展低碳经济。本论文是在热力学第二定律火用分析的基础上,以农业部可再生能源重点开放实验室研制的太阳能光合生物连续制氢系统为研究对象,通过分析系统中各部分输入和输出的能量流动过程,建立火用分析模型和火用平衡方程,分析计算了系统的火用效率,探索性的提出了太阳能光合生物连续制氢系统内部用能的薄弱环节及其低能耗高效率生产性运行的途径,为提高太阳能光合生物连续制氢系统的有效能,降低系统对常规能源的消耗,加快太阳能光合生物连续制氢技术研发进程具有重要的实际意义。主要研究内容及结果如下:(1)根据系统的特点,通过分析输入和输出各个能量,建立火用分析模型;(2)建立太阳能光合生物连续制氢系统的火用平衡方程,并对太阳能光合生物连续制氢系统进行火用分析,太阳能光合生物连续制氢系统的火用效率为21.99%,其中耗散火用损中大部分为光能火用损,占整个系统总输入能量的23%。(3)分析了太阳能光合生物连续制氢系统中影响光转化率的主要因素,包括产氢微生物对太阳光特性波长的选择性吸收、光照强度中光饱和作用和培养液自身的遮蔽效应等光能转化率的影响因素,并提出了相应的解决方法,为系统内部设备的改进提供方向,以提高系统有效能的利用,为推进光合生物制氢技术应用的工业化进程提供了科学参考。

论文目录

• 摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物制氢方法
• 1.2.1 生物质热化学转换法制氢
• 1.2.2 微生物制氢
• 1.2.2.1 厌氧发酵法制氢
• 1.2.2.2 光解水产氢
• 1.2.2.3 光合细菌产氢
• 1.2.2.4 厌氧细菌和光合细菌的联合产氢
• 1.3 能量分析方法
• 1.3.1 能分析法
• 1.3.2 熵产分析法
• 1.3.3 火用平衡分析法
• 1.3.4 火用传递分析法
• 1.4 光合生物制氢反应器能量过程的火用分析研究现状
• 1.5 本课题研究的意义和主要内容
• 1.5.1 课题目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 火用分析的技术路线和火用分析模型
• 2.1 引言
• 2.2 火用值的计算
• 2.2.1 热量火用
• 2.2.2 稳流工质的物流焓火用
• 2.2.3 机械火用
• 2.2.4 化学火用
• 2.2.4.1 化学反应的最大有用功
• 2.2.4.2 混合气体的火用
• 2.2.5 太阳能辐射能火用
• 2.2.5.1 太阳辐射能的火用
• 2.2.5.2 光合细菌对太阳光的光谱耦合性
• 2.2.5.3 太阳能产氢中的光转换率
• 2.3 火用损失及火用平衡方程
• 2.3.1 火用损失
• 2.3.2 火用平衡方程
• 2.3.3 能量系统的火用效率
• 2.4 火用分析模型
• 2.4.1 黑箱分析模型
• 2.4.2 白箱分析模型
• 2.4.3 系统灰箱分析模型
• 2.4.3.1 黑箱串联网络模型
• 2.4.3.2 黑箱并联网络模型
• 2.4.4 能量关联系统模型
• 第3章 光合生物制氢系统的火用分析计算实例
• 3.1 光合生物制氢系统简介
• 3.1.1 培养箱
• 3.1.2 上料箱
• 3.1.3 反应器本体
• 3.1.4 太阳能聚光单元
• 3.1.5 辅助照明单元
• 3.1.6 辅助供热单元
• 3.1.7 氢气计量和储存单元
• 3.1.8 自动控制单元
• 3.1.9 系统流程图
• 3.2 试验材料和测量仪器及方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.1.1 实验菌种
• 3.2.1.2 培养基
• 3.2.1.3 产氢基质
• 3.2.2 测定方法
• 3.2.3 实验流程和所需测得数据
• 3.3 系统火用分析计算过程
• 3.3.1 系统火用分析模型
• 3.3.2 系统火用平衡方程及火用效率
• 3.3.3 系统各部分火用值计算
• x,1⁺1的计算'>3.3.3.1 物料火用 E_x,1⁺1的计算
• x,2⁺的计算'>3.3.3.2 经光纤传输的太阳光能 E_x,2⁺的计算
• x,3⁺ 的计算'>3.3.3.3 辅助光源及水泵所提供的电能E_x,3⁺的计算
• x,4⁺ 的计算'>3.3.3.4 换热器为系统提供的热量火用E_x,4⁺的计算
• x,5^- 的计算'>3.3.3.5 氢气所具有的化学火用E_x,5^-的计算
• x,L'>3.3.3.6 排料火用损E_x,L
• 3.3.3.7 火用平衡计算结果及系统火用效率
• 3.4 影响光能转化率的因素
• 3.4.1 光波长对光能转化率的影响
• 3.4.2 光照强度对光能转化率的影响
• 3.4.3 培养液自身对光合细胞对光的吸收和利用的影响
• 3.5 提高光能转化率的方法
• 3.5.1 人工调节太阳能辐射光谱
• 3.5.2 降低“光饱和效应”
• 3.5.3 设计合理的反应器
• 第4章 结论与建议
• 4.1 结论
• 4.2 建议
• 参考文献
• ABSTRACT