目前有没有利用生物体或以生物体为灵感来源的光能/热能利用方法？如果没有的话是什么限制了这方面发展呢？ 第1页

有。菜。目前，人工光合作用的效率难以跟光伏、光热手段竞争^[1]，市面上还没有实用的产品。化能合成方面，农业和基于转基因微生物的发酵工业往往比整一堆机器从头合成更便宜。

2020 年，上海科技大学物质科学与技术学院教授林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化，首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过 20% 的二氧化碳还原人工光合作用系统。林柏霖表示，通过定量系统工程分析发现，该电极如果与目前最先进的太阳能电池搭配，可以充分利用太阳能电池的光电流，预计太阳能到化学能的最高转换效率约为 25%^[2]。

直接烧植物比这个省事。2021 年 3 月，一些美国环保人士怒斥欧洲的所谓“生态友好型经济”依赖燃烧从美国进口的木材，“燃烧木头给他们提供的发电量多于风能与太阳能的总和”。他们说，燃烧生物质排放的碳多于燃烧同等产热量的煤炭，而且“太阳能电池板的发电量，约为燃烧同面积生物质能源的发电量的一百倍”。如果要让生物质多负担 2% 的全球能源供应量，全球木材砍伐量就要翻倍。

• 美国东南部的木材产量占世界的六分之一。美国南方目前有二十三家大型木材颗粒加工厂，砍伐的森林被粉碎成木屑、压成胶囊大小的颗粒、装船运往欧洲——看起来，在各种虚构概念的包装下，北美在做很传统的事情。
• 美国国会的预算法案认为，只要美国的森林资源总量稳定或还在增加，美国生物质能源产业带来的净排放量就不会超过零。为此，他们大面积种植速生林，并比造纸行业更快地轮番砍伐。从 2007 年到 2017 年，美国的森林覆盖率实际上增加了约百分之二。

植物、蓝菌等生物通过光合作用将太阳能转换成电势能，驱动一系列生化反应，将二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气，其化学反应过程决定了 C3 植物的理论极限效率约 4.6%，C4 植物的理论极限效率约 6%，单细胞光合生物的理论极限效率约 8% 到 13%。

现实中的光合生物受到地球运转带来的太阳照射变化、天气、植物体内的环境、细胞的承受力、自身随机发生的光呼吸等影响，植物的实际光合作用效率多在 0.3% 到 0.5%以内，只有极少数物种能达到 1%；珊瑚共生虫黄藻的光合作用效率在 3% 到 4%，这依赖珊瑚组织和骨骼的光学特性。

• 基因工程处理光呼吸发生率、通入加压二氧化碳之类手段已经试过了，能达到的最大增幅根据植物物种而异，从未接近过理论极限，而且二氧化碳浓度不是越高越好，光合作用速率也要考虑活性氧对细胞的损害。
• 光合生物体内的温度和离子浓度受细胞的承受力限制，不能追求理论极限。
• 也可以参考化能合成生物的情况：即便是海洋化学合成生物体内极端的环境，对其化学合成效率的提升也十分有限。

市面上可以买到的太阳能电池的光能到电能转换效率在 20% 到 30%，实验室里有自然光下 39%、聚光下 46% 到 50% 的品种尚未推广^[3]。已经实际建设的聚光光伏发电系统的峰值效率可以达到 40% 到 50%。

对于现实中的太阳能设备，由于地球运转带来的太阳照射变化、天气等影响因素，平均转换效率不会维持在上述最大效率。目前，太阳能发电塔的年净太阳能发电效率为 7% 到 20％。

在这之外，早已有多个彼此独立的研究团队制造了接受太阳光照射后立即电解水的装置，光电化学电池。这类设备将太阳光能转换为化学能的效率在二十世纪末就超过了 5%，在 2017 年达到了 16.2％，目前还不值得商用——其主要问题是稳定性不足，在 2020 年才达到 1000 小时稳定运行、最高效率14%。

在太阳能光热发电方面，市面上可以买到碟式反射镜聚光的碟式斯特林热机，效率约 30%，一些装置在测试中达到过 31.25% 到 34% 的峰值效率。现实中运行的碟式斯特林热机的年平均效率为 12% 到 25％。

• 太阳能热电联产的能量转换效率可以达到 60% 到 70%。

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人类业已掌握能量效率 40% 到 60% 的燃料电池，能量效率 85% 的热电联产燃料电池，发电效率 45% 到 48% 的超超临界火电机组，发电效率 90% 以上的水电机组。

参考

1. ^ 即使要储存能量日后再用，好一点的电解水装置有75%到88%的效率，你把太阳能热电联产那些电力接到电解水装置上产氢都会完爆现有的人工光合作用，所以人工光合作用不达到更高效率就不值得使用。
2. ^ 相关成果于2020年8月5日在线发表于《材料化学杂志A》。https://doi.org/10.1039/D0TA06714H
3. ^Geisz, J.F., France, R.M., Schulte, K.L. et al. Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nat Energy 5, 326–335 (2020).  https://doi.org/10.1038/s41560-020-0598-5