第四单元 太阳能 生物质能和氢能的利用教学设计及课堂实录

太阳能、生物质能和氢能的利用

无锡市第一中学

孙逸明

【引入】今天，我们要学习的是太阳能、生物质能和氢能的利用。它们是地球上众多能源中的几种。常见的能源可以根据能否直接从自然界中获取分为一次能源和二次能源。一次能源是自然界中原本就存在、不需要额外加工的能源，有太阳能、风能、水能、地热能、生物质能、核能、化石燃料等等。其中，前五种是可再生能源，后两种在短时间内不能恢复、不可再生。二次能源是由其它一次能源加工后得到的能源，有电能、氢能等，它们是可再生能源。

【展示】（PPT）能源的分类

【讲述】在以上这些能源中，最基本的能源是太阳能。太阳内部时时刻刻发生着核聚变反应，放出巨大的能量。它们以光能和热能的形式传输到地面。地球上的水能、风能、生物质能、化石燃料本质上都来源于太阳能。

【展示】（PPT）太阳风暴与地磁场

【讲述】太阳向外辐射的能量大约只有二十亿分之一到达地球。尽管其比例非常小，但已足够地球上的生物使用。在太阳活动非常活跃的时间，还会产生大量对地球生物有害的高能辐射，当然地磁场为我们起到了很强的保护作用。

【学生阅读】书P.48直接利用太阳能的方式

【展示】（PPT）大功率太阳灶

【讲述】太阳能可以直接用于加热物体。太阳光相对于地球来说是平行光，如果将其会聚于一点，那就可以大幅升温。太阳灶本身就是一块巨大的凹面镜，可以会聚光线。

【展示】（PPT）凹面镜会聚光线的原理

【讲述】在光学器件中，凹面镜和凸透镜都能会聚光线。凹面镜有一个焦点，当平行光平行于凹面镜的主轴入射时，经凹面镜反射，光线会聚到焦点处。光具有能量，使得交点处温度升高。在焦点处放置需要加热的物体，一段时间后，就能达到目的。

【展示】（PPT）太阳能电池

【讲述】太阳能也可以转化为电能。光电池是以光电效应为基础制造的，可直接实现太阳能到电能的转化。另一种转化途径是以热能为中介，先吸收太阳能，再

使液态水吸收能量汽化为水蒸气，最后驱动汽轮机发电。太阳能也能转化为化学能。当温度达到25时，Na2SO4·10H2O晶体失去结晶水，并溶解在自身的结晶水中，吸收热量；到夜晚时，Na2SO4溶液重新结晶，析出水合物晶体并释放出热量。这是通过化学反应利用太阳能。

【展示】（PPT）绿色植物的光合作用

【讲述】大自然中利用太阳能最为成功的当属绿色植物的光合作用。绿色植物利用二氧化碳和水，在叶绿体中合成葡萄糖和氧气，这是将太阳能转化为生物质能的方法。生物质能是植物及其加工产品所贮存的能量。生物质是农业废弃物、植物、城市与工业有机废弃物、动物粪便等。它们都含有大量的有机物，有机物被氧化时释放能量。从本质上来说，生物质能是化学能。光合作用生成的葡萄糖是单糖，分子式为C6H12O6，在一定条件下可以转化为淀粉和纤维素。这两者是多糖，化学式为(C6H10O5)n。动物食用植物后摄入淀粉和纤维素，在体内水解重新生成葡萄糖。葡萄糖氧化成二氧化碳和水并释放能量，为生命活动供能。当然，人体能够消化淀粉而不能消化纤维素，但适当食用纤维素可以帮助消化。

【练习】将太阳能转化为生物质能的化学方程式（糖类）

【展示】（PPT）焚烧秸秆

【讲述】下面我们来看生物质能的利用。生物质是有机物，被氧化时能够产生大量热量，对外供能。因此直接燃烧秸秆、枝叶就能获取热量。但这显然不是一种很理想的能源利用方法，因为燃烧不充分会产生大量污染物。

【练习】纤维素燃烧的化学方程式

【展示】（PPT）沼气发酵罐

【讲述】一种相对较为清洁的利用方式是生物化学转化。将秸秆、杂草、枝叶、人畜粪便加入沼气池，在厌氧条件下，利用细菌发酵生成沼气。沼气的主要成分是甲烷CH4，还含有CO2、NH3、H2S、PH3等气体。沼气是可燃性气体，可以用作日常生活的燃料。除此以外，含有淀粉、纤维素较多的农作物在酶催化剂的作用下，水解成葡萄糖，葡萄糖进一步分解为乙醇C2H5OH和CO2。乙醇可以直接作为燃料，也可以和普通汽油混合称为乙醇汽油。

【练习】淀粉、纤维素水解、发酵的化学方程式

【展示】（PPT）无锡桃花山垃圾填埋场

【讲述】生活垃圾中含有大量的有机废弃物，目前主要的垃圾处理手段是填埋。从环保和可持续发展的角度来看，这也不是一种理想的垃圾处理方法。无锡的梅园附近就有一座垃圾填埋场，其中的环保问题是不容忽视的。

【展示】（PPT）垃圾焚烧发电的流程

【讲述】相对来说，垃圾焚烧发电是一种比较好的垃圾处理方法。将垃圾预处理后放在焚烧炉中，燃烧产生的热量使锅炉中的水转化为高温高压的水蒸气，推动汽轮发电机组发电，余热可以供暖。燃烧产生的烟气经过净化塔层层过滤，去除其中的有毒物质，达标后方可排放。烟气中常见的有毒物质是二恶英，是一类有机化合物的总称，毒性和致癌性都极为强烈。烟气中的粉尘用布袋除尘器收集。

【展示】（PPT）探寻垃圾焚烧“城堡”中的奥秘

【讲述】氢能是一种非常理想的“绿色能源”，它具有热值高、来源广、无污染的特点。

【展示】（PPT）氢能源、氢气加气站

【学生阅读】书P.51氢气产生和利用的途径

【讲述】氢气可由水分解获得，传统分解水的方法是电解水，这种方法需要消耗大量的电能，本身并不划算。现在也有依靠光催化剂吸收光能来分解水的方法，但尚未大规模投入应用。

【展示】（PPT）以氮化钨为光催化剂分解水

【讲述】氢气被氧化能够产生大量能量。一种途径是直接燃烧放热，另一种是设计成氢氧燃料电池，通过自发的氧化还原反应产生电能。这就带来了另一个需要解决的问题，氢气的储存和运输。氢气的密度很小，熔沸点非常低，又是可燃性气体，这就代表它的保存很不容易。

【展示】（PPT）氢氧燃料电池中的高压气瓶

【讲述】氢氧燃料电池中的氢气保存在高压钢瓶中，存在一定的危险性，有安全隐患。

【展示】（PPT）氢气的储存方法

【讲述】常用的氢气储存方法可分为三大类。高压钢瓶属于气态储氢，此时氢气仍是气体，只是压强比常压大很多。实验室用的氢气钢瓶是深绿色的，上面喷涂有红色的“氢”字样。如果采用某些压强较高的低温容器，可以使氢气液化成液

氢，这是液态储氢。目前研究得比较多的是固态储氢。固体相对于气体、液体而言比较容易控制、携带。书上给我们介绍的是合金储氢。合金吸附氢气时发生了化学反应，氢气分解为氢原子，因而这不是简单的物理吸附。镧镍合金是吸收和释放氢气性能都比较优良的物质，但其本身密度大，仍然不便于运输或携带。除了合金以外，某些配位氢化物（比如NaBH4、LiAlH4等）、具有吸附能力的单质也可以储存氢气。氢气在一定条件下能与水分子形成固态的氢气水合物，产生类似于可燃冰的结构。当然，这些储氢方法尚未投入大规模使用。

【总结】尽管氢气短时间内还不能代替现有的主要能源，但它是一种前途非常光明、具有极大开发价值的能源。