Term 3: Photon Energy
The term photon energy, Ephoton , converts PAR as energy
to number of photons. Esolar (1), calculated in term 2, was
used to calculate term 3, the wavelength-weighted average
photon energy, Ephoton.Within the PAR range, photon energy
ranges from most energetic (299 kJ∙mol−1
) at 400 nm (blue)
to least energetic (171 kJ∙mol−1
) at 700 nm (red). These are
calculated using Planck’s law (Ephoton ¼ h c=l, where h is
Planck’s constant (6.63E-34 J∙s), c is the speed of light
(2.998E8 m∙s
−1
), and 1 is wavelength). Ephoton was
calculated to be 225.3 kJ∙mol−1
, or 0.2253 MJ∙mol−1
, also
in good agreement with published values [14, 21]. This
corresponds to a wavelength of 531 nm (green).
Total photon flux density (PFD) over a year can be
calculated from a combination of terms 1, 2, and 3 by Eq. 2.
PFD
mol
m2 year ¼
Efullspectrum
MJ
m2year %PAR
100
Ephoton
MJ
mol ð2Þ
Term 4: Photon Transmission Efficiency
The term photon transmission efficiency accounts for losses
in incident solar energy due to the construction or geometry of
the growth system, either an open-pond or enclosed photobioreactor.
Light reflection or absorption by surfaces and
materials will be minimized in an optimized design, but any
design will have some reduction in the number of incident
photons that reach the cells. For the theoretical case, the
growing system was assumed to preserve total PFD, i.e., no
reduction to 100% photon transmission efficiency. For the
best case, the reduction in PFD due to the growth system was
estimated for an open-pond scenario, where incident solar
energy is lost due to reflection off the open water surface.
Solar geometry equations [10] were used to calculate two
parameters: reflectance off the surface based on angle of
incidence and the predicted magnitude of solar radiation
(assuming no cloud cover) for any given latitude, day of year,
anand time of day. Larger angles of incidence, and thus more
reflection, occur during the early and late hours of the day
when the sun is lower in the sky, but the incident solar energy
during these hours is also lower at these times. The two
parameters were multiplied and summed over a day period to
find an estimate of the total portion of a day’s solar energy lost
due to reflection. Results for the summer and winter solstices
for latitudes 0°, 20°, and 40° are shown in Fig. 4.
Based on the results of this analysis, for the best case,
the reduction in PFD due to growth system geometry was
assumed to be 5%, resulting in a photon transmission
efficiency of 95%.
Term 5: Photon Utilization Efficiency
The term photon utilization efficiency accounts for reductions
in perfect photon absorption due to suboptimal
conditions of the algal culture. A cell under optimal
conditions will absorb and use nearly all incident photons.
However, under suboptimal conditions such as high-light
levels or non-optimal temperatures under which photoinhibition
occurs, some absorbed photons will be re-emitted
as heat or cause damage to the cells. For the theoretical
case, the culture was assumed to be maintained under
perfectly optimal conditions such that all incident photons
would be absorbed and used, i.e., there would be no reduction
in the 100% photon utilization efficiency. For the best case,
reduction in photon utilization due to high-light levels can be
significant for outdoor production, and the magnitude of this
effect varies with species, light, and other ambient conditions
such as temperature. Light utilization efficiency could range
from 50–90% under low-light conditions to 10–30% under
high-light conditions [13]. Therefore, for the best case, a
median value of 50% was chosen, which may be conservatively
high, given that high-light conditions are likely to be
found in outdoor growth systems.
Terms 6 and 7: Quantum Requirement and Carbohydrate
Energy Content
The terms quantum requirement and carbohydrate energy
content together represent the conversion of light energy to
chemical energy via photosynthesis. The basic equation for
photosynthesis is commonly expressed by Eq. 3:
CO2 þ H2O þ 8 photons ! CH2O þ O2 ð3Þ
This equation represents a combination of two reactions:
(1) energy transduction in the two photosystems, which
produces adenosine triphosphate (ATP) and nicotinamide
adenine dinucleotide phosphate (NADPH) via electron
transfer stimulated by photon absorption, and (2) carbon
assimilation in the Calvin cycle, which uses the energy ofthe ATP and NADPH produced in the photosystems to fix
CO2 and produce chemical energy.
Term 6, quantum requirement, represents the energy input
on the left side of Eq. 3 of 8 mol photons per mol of CO2
reduced to CH2O. At perfect efficiency, the quantum
requirement would be 3, because 3 of the least energetic
photons (at 700 nm) have an energy of 3170:9 kJ mol1 ¼
512:7 kJ mol1
. This is slightly higher than the required
energy of 482.5 kJ∙mol−1
. However, extensive debates on this
topic since the middle of the last century have resulted in a
common agreement that the value of 8 mol photons per mol
CO2 reduced to CH2O corresponds to maximally efficient
photosynthesis based on the Z-scheme [6, 11, 15, 23, 25,
34]. While some researches might argue that higher values
may be more realistic, because of our methodology of
conservatism to produce an absolute maximum, 8 was used
because there is not yet consensus on a higher (and thus less
efficient) theoretical quantum requirement.
In Eq. 3, CH2O represents the basic form of chemical
energy captured by photosynthesis. Its actual form is
triosephosphate (C3H5O3P), but the energy content is often
calculated from glucose (C6H12O6). Several reported values
for CH2O include 496, 494, 468.9, and 470 kJ∙mol−1 [6, 13,
29, 34]. The median of the range of cited values,
482.5 kJ∙mol−1
, was used for term 7, carbohydrate energy
content.
ระยะที่ 3: โฟตอนพลังงานคำว่าโฟตอนพลังงาน Ephoton หุ้นที่แปลงเป็นพลังงานจำนวน photons Esolar (1), คำนวณระยะ 2 ถูกใช้ในการคำนวณระยะ 3 ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักความยาวคลื่นโฟตอนพลังงาน Ephoton.Within ช่วงหุ้น โฟตอนพลังงานตั้งแต่มีพลังมากที่สุด (299 kJ∙mol−1) ที่ 400 nm (สีฟ้า)การมีพลังน้อยที่สุด (171 kJ∙mol−1) ที่ 700 nm (สีแดง) เหล่านี้เป็นคำนวณโดยใช้กฎของพลังค์ (Ephoton ¼ h c = l, h อยู่ค่าคงของของพลังค์ (6.63E-34 J∙s), c คือ ความเร็วของแสง(2.998E8 m∙s−1), และ 1 ความยาวคลื่น) Ephoton ถูกคำนวณได้เท่ากับ 225.3 kJ∙mol−1หรือ 0.2253 MJ∙mol−1ยังในข้อตกลงที่ดีกับค่าเผยแพร่ [14, 21] นี้สอดคล้องกับความยาวคลื่นของ 531 nm (สีเขียว)โฟตอนรวมไหลความหนาแน่น (PFD) ปีสามารถคำนวณจากการรวมกันของเงื่อนไขที่ 1, 2 และ 3 โดย Eq. 2PFDโมลm2 ปี¼Efull รุ้งMJm2 ปี%ราคาพาร์100EphotonMJð2Þ โมลระยะที่ 4: เราส่งอย่างมีประสิทธิภาพประสิทธิภาพระยะเราส่งข้อมูลบัญชีสำหรับขาดทุนในการแก้ไขปัญหาพลังงานแสงอาทิตย์เนื่องจากการก่อสร้างหรือเรขาคณิตของการเจริญเติบโตระบบ ทั้งการเปิดบ่อ หรือควบ photobioreactorแสงสะท้อนหรือดูดซึม โดยพื้นผิว และจะย่อวัสดุ ในการออกแบบให้เหมาะ แต่ใด ๆออกแบบจะมีบางส่วนลดจำนวนเหตุการณ์photons ที่เข้าถึงเซลล์ สำหรับกรณีทฤษฎี การระบบการเจริญเติบโตได้ถือรักษารวม PFD เช่น ไม่reduction to 100% photon transmission efficiency. For thebest case, the reduction in PFD due to the growth system wasestimated for an open-pond scenario, where incident solarenergy is lost due to reflection off the open water surface.Solar geometry equations [10] were used to calculate twoparameters: reflectance off the surface based on angle ofincidence and the predicted magnitude of solar radiation(assuming no cloud cover) for any given latitude, day of year,anand time of day. Larger angles of incidence, and thus morereflection, occur during the early and late hours of the daywhen the sun is lower in the sky, but the incident solar energyduring these hours is also lower at these times. The twoparameters were multiplied and summed over a day period tofind an estimate of the total portion of a day’s solar energy lostdue to reflection. Results for the summer and winter solsticesfor latitudes 0°, 20°, and 40° are shown in Fig. 4.Based on the results of this analysis, for the best case,the reduction in PFD due to growth system geometry wasassumed to be 5%, resulting in a photon transmissionefficiency of 95%.Term 5: Photon Utilization EfficiencyThe term photon utilization efficiency accounts for reductionsin perfect photon absorption due to suboptimalconditions of the algal culture. A cell under optimalconditions will absorb and use nearly all incident photons.However, under suboptimal conditions such as high-lightระดับหรืออุณหภูมิไม่เหมาะสมภายใต้ photoinhibition ใดเกิดขึ้น photons ดูดซึมบางจะ emitted อีกครั้งเป็นความร้อน หรือทำให้เกิดความเสียหายของเซลล์ สำหรับทฤษฎีที่กรณี วัฒนธรรมถือว่าต้องรักษาภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมอย่างเช่นว่า photons เหตุการณ์ทั้งหมดจะดูดซึม และใช้ เช่น มีจะไม่ลดใน 100% เราใช้ประโยชน์ประสิทธิภาพการ สำหรับกรณีดีที่สุดเราใช้ประโยชน์จากระดับไฟสูงที่ลดลงได้สำคัญสำหรับการผลิตภายนอก และขนาดนี้ผลแตกต่างกันไปสปีชีส์ แสง และสภาพแวดล้อมอื่น ๆเช่นอุณหภูมิ ประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์แสงได้ช่วงจาก 50 – 90% ภายใต้สภาพแสงน้อย 10 – 30% ภายใต้สภาพไฟสูง [13] สำหรับกรณีดีที่สุด ดังนั้น การค่ามัธยฐานของ 50% เลือก ซึ่งอาจเป็น conservativelyสูง ที่สภาพแสงสูงมีแนวโน้มที่จะพบในระบบกลางแจ้งเจริญเติบโตข้อ 6 และ 7: ความต้องการควอนตัมและคาร์โบไฮเดรตเนื้อหาพลังงานความต้องการและคาร์โบไฮเดรตพลังงานควอนตัมของเงื่อนไขเนื้อหาแสดงถึงการแปลงพลังงานแสงร่วมกันพลังงานเคมีผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง สมการพื้นฐานการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยทั่วไปจะแสดง โดย Eq. 3:CO2 þ H2O þ 8 photons Þ CH2O O2 ð3Þสมการนี้แสดงถึงการรวมกันของปฏิกิริยาที่สอง:(1) พลังงาน transduction ใน photosystems สอง ซึ่งอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) และ nicotinamideadenine dinucleotide ฟอสเฟต (NADPH) ผ่านอิเล็กตรอนโอนย้ายขาวกระตุ้น โดยดูดซับโฟตอน และคาร์บอน (2)ผลิตผสมกลมกลืนในวงจรคาลวิน ซึ่งใช้พลังงาน ATP และ NADPH ใน photosystems เพื่อแก้ไขCO2 และผลิตสารเคมีประหยัดพลังงานระยะ 6 ความต้องการควอนตัม แสดงถึงการป้อนข้อมูลพลังงานทางด้านซ้ายของ 3 8 โมล photons ต่อโมลของ CO2 Eq.ลดลงเป็น CH2O ที่มีประสิทธิภาพสมบูรณ์แบบ ควอนตัมความต้องจะเป็น 3 เนื่องจาก 3 มีพลังน้อยphotons (ที่ 700 nm) มีการพลังงาน 3 170:9 ลโมล 1 ¼512:7 ลโมล 1. นี้จะสูงขึ้นเล็กน้อยกว่าที่จำเป็นพลังงานของ 482.5 kJ∙mol−1. อย่างไรก็ตาม การเจรจาครอบคลุมดังนี้หัวข้อตั้งแต่กลางศตวรรษที่ผ่านมามีผลในการข้อตกลงทั่วไปที่ค่าของ 8 โมล photons ต่อโมลCO2 ลดลงเป็น CH2O ตรงกับ maximally อย่างมีประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงที่อยู่ใน Z-แผน [6, 11, 15, 23, 2534] . ในขณะที่บางงานวิจัยอาจโต้เถียงที่สูงค่าอาจจะสมจริงมากขึ้น เกิดจากกฎเกณฑ์ของเราใช้อนุรักษนิยมผลิต 8 สูงสุดสัมบูรณ์เนื่องจากไม่ได้มติในสูงกว่า (จึงน้อยความต้องการอย่างมีประสิทธิภาพ) ทฤษฎีควอนตัมใน Eq. 3, CH2O แสดงรูปแบบพื้นฐานของเคมีพลังงานจากการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นรูปแบบจริงtriosephosphate (C3H5O3P), แต่พลังงานที่เนื้อหามักจะเป็นคำนวณจากกลูโคส (C6H12O6) หลายรายงานค่าสำหรับ CH2O รวม 496, 494, 468.9, 470 kJ∙mol−1 [6, 1329, 34] มัธยฐานของช่วงของค่าอ้างอิง482.5 kJ∙mol−1ใช้สำหรับระยะ 7 พลังงานคาร์โบไฮเดรตเนื้อหา
การแปล กรุณารอสักครู่..
ระยะที่ 3 : พลังงานโฟตอนโฟตอนพลังงานในระยะ ephoton
, , แปลงพาร์เป็นพลังงาน
จำนวนโฟตอน . esolar ( 1 ) คำนวณในเทอม 2 คือ
ใช้คำนวณระยะ 3 , ความยาวคลื่นเฉลี่ย
ถัวโฟตอนพลังงาน ephoton ภายในช่วงพาร์
พลังงานโฟตอนในช่วงคึกคักที่สุด ( 299 KJ ∙ mol − 1
) ที่ 400 nm ( สีฟ้า )
น้อยคึกคัก ( 171 KJ ∙โมล − 1
) ที่ 700 nm ( สีแดง ) เหล่านี้คือ
คำนวณโดยใช้กฎของพลังค์ ( ephoton ¼ H C = L , h คือค่าคงที่ของพลังค์ ( 6.63e-34
J ∙ S ) c เป็นความเร็วแสง
( 2.998e8 M ∙ s − 1
) และ 1 คือความยาวคลื่น ) ephoton คือ
คิดเป็น 225.3 KJ ∙ mol − 1
, หรือ 0.2253 MJ ∙ mol − 1
,
ใน ดีข้อตกลงกับเผยแพร่ค่านิยม [ 14 ] นี้
สอดคล้องกับความยาวคลื่น 531 nm ( สีเขียว )
) ความหนาแน่นรวม ( PFD ) กว่าปีสามารถ
คำนวณจากการรวมกันของเงื่อนไขที่ 1 , 2 และ 3 โดยอีคิว 2
3
m2 PFD ปี ¼
efull สเปกตรัม
MJ
m2 ปี % par
โมลต่อ 100 ephoton ð 2 Þ
ระยะ 4 : ประสิทธิภาพการส่งโฟตอน
เทอมโฟตอน ประสิทธิภาพการส่งบัญชีขาดทุน
เหตุการณ์พลังงานแสงอาทิตย์เนื่องจากการก่อสร้างหรือลักษณะทางเรขาคณิตของ
ระบบการเจริญเติบโต ทั้งเปิดหรือปิดบ่อ photobioreactor .
แสงสะท้อนจากพื้นผิวหรือการดูดซึมและ
วัสดุจะลดลงในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ แต่การออกแบบ
จะได้ลดจำนวนอุบัติเหตุ
โฟตอนที่เข้าสู่เซลล์ สำหรับกรณีที่ทางทฤษฎี , ระบบปลูก
สมมติเพื่อรักษา PFD ทั้งหมด เช่น ไม่มี
ลด 100 % ประสิทธิภาพการส่งโฟตอน . สำหรับกรณีดีที่สุด
,ลดลงใน PFD เนื่องจากระบบการประมาณการสถานการณ์
บ่อเปิด ซึ่งเหตุการณ์พลังงานแสงอาทิตย์
สูญหายเนื่องจากสะท้อนออกจากพื้นผิวน้ำเปิด
พลังงานแสงอาทิตย์เรขาคณิตสมการ [ 10 ] ถูกใช้เพื่อคำนวณค่าพารามิเตอร์ 2
: สะท้อนออกจากพื้นผิวตามมุม
อุบัติการณ์และคาดการณ์ขนาดของ
รังสี ( ถ้าไม่มีเมฆปกคลุม ) ใดๆให้ละติจูดวันของปี ,
( เวลาของวัน มุมที่ใหญ่กว่าของอุบัติการณ์ และดังมากขึ้น
สะท้อนที่เกิดขึ้นในช่วงต้นและปลายชั่วโมงของวัน
เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ต่ำในท้องฟ้า แต่เหตุการณ์พลังงานแสงอาทิตย์
ในระหว่างเวลาเหล่านี้ยังต่ำกว่าในช่วงเวลาเหล่านี้ 2
ค่าคูณ และได้ผ่านช่วงวัน
หาค่าประมาณของส่วนทั้งหมดของวันหายไป
พลังงานแสงอาทิตย์เนื่องจากการสะท้อน ผลการค้นหาสำหรับฤดูร้อนและฤดูหนาว solstices
สำหรับละติจูด 0 องศา , 20 องศาและ 40 องศาจะแสดงในรูปที่ 4 .
จากผลของการวิเคราะห์นี้ สำหรับกรณีที่ดีที่สุด
ลด PFD เนื่องจากเรขาคณิตระบบการเจริญเติบโต
ถือว่าเป็น 5% ส่งผลให้ประสิทธิภาพการส่งผ่าน
โฟตอน 95 %
5
) : ประสิทธิภาพการใช้ระยะยาวคำว่าโฟบัญชีประสิทธิภาพการใช้เพื่อลดการดูดกลืนโฟตอน
สมบูรณ์แบบเนื่องจากสภาพ suboptimal
ของวัฒนธรรมสาหร่าย . เซลล์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม
จะดูดซับและใช้เกือบทุกเหตุการณ์โฟตอน .
แต่ภายใต้เงื่อนไข suboptimal เช่น ระดับแสง และอุณหภูมิที่เหมาะสม ไม่สูงหรือ
ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้ photoinhibition บางดูดกลืนโฟตอนจะ Re ออกมา
เช่นความร้อนหรือก่อให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ สำหรับกรณีที่ทางทฤษฎี
, วัฒนธรรมเป็นสำคัญ การรักษาภายใต้เงื่อนไขที่ทุกเรื่อง
จะถูกดูดซึมและโฟตอนที่ใช้ คือ สมบูรณ์ที่สุด จะไม่มีการลด
ใน 100% ) การใช้ประสิทธิภาพ สำหรับกรณีที่ดีที่สุดในการใช้เนื่องจากโฟตอน
ลดระดับแสงสูงสามารถ
ที่สำคัญสำหรับการผลิตกลางแจ้งและขนาดของผลกระทบนี้
ขึ้นอยู่กับชนิด , แสง , และเงื่อนไขอื่น ๆรอบข้าง
เช่นอุณหภูมิ ประสิทธิภาพการใช้แสงช่วง
จาก 50 – 90% ภายใต้สภาวะแสงน้อย 10 – 30 %
แสงสูงภายใต้เงื่อนไข [ 13 ] ดังนั้น สำหรับกรณีที่ดีที่สุด
ความถี่ของค่า 50% ถูกเลือก ซึ่งอาจจะอนุรักษ์นิยม
สูงให้ภาพแสงสูงมีแนวโน้มที่จะ
ที่พบในระบบการเจริญเติบโตกลางแจ้ง
แง่ 6 และ 7 : ความต้องการทางพลังงานและคาร์โบไฮเดรต
แง่ความต้องการพลังงานควอนตัมและเนื้อหา
คาร์โบไฮเดรตด้วยกันแสดงการแปลงพลังงานแสง พลังงานเคมี
ผ่านการสังเคราะห์แสง สมการพื้นฐานสำหรับ
การสังเคราะห์แสงมักแสดงออกโดยอีคิว 3 :
þ H2O CO2 þ 8 โฟตอน ! ch2o þ O2 ðÞ
3สมการนี้แสดงถึงการรวมกันของทั้งสองปฏิกิริยา :
( 1 ) พลังงานพลังงานใน 2 photosystems ซึ่ง
ผลิตอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต ( ATP ) และนิโคตินาไมด์
อูไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟต ( nadph ) ผ่านการกระตุ้นด้วยการดูดกลืนโฟตอนอิเล็กตรอน
และ ( 2 ) คาร์บอน
ผสมกลมกลืนในวัฏจักรเคลวิน ซึ่งใช้พลังงานของเอทีพี กับ NADPH ที่ผลิตใน photosystems แก้ไข
CO2 และผลิตพลังงานเคมี .
ระยะ 6 , ความต้องการควอนตัมหมายถึง
ค่าพลังงานบนด้านซ้ายของอีคิว 3 8 โมลโฟตอนต่อโมลของ CO2
ลดลง ch2o ในประสิทธิภาพที่สมบูรณ์แบบ , ควอนตัม
ความต้องการน่าจะ 3 เพราะ 3 ของโฟตอนอย่างน้อยคึกคัก
( 700 nm ) ได้ พลังงาน 3 170:9 KJ โมล 1 ¼
512:7 KJ โมล 1
นี้เป็นเล็กน้อยสูงกว่าความต้องการ
พลังงานของคุณ .5 กิโล∙ mol − 1
อย่างไรก็ตาม การอภิปรายในหัวข้อนี้อย่างละเอียด
ตั้งแต่กลางศตวรรษที่มีผลใน
ข้อตกลงร่วมกันว่า มูลค่า 8 โมลต่อโมล โฟตอน
CO2 ลดลง ch2o สอดคล้องกับผลที่มีประสิทธิภาพ
การสังเคราะห์แสงตาม z-scheme [ 6 , 11 , 15 , 23 , 25 ,
34 ] ในขณะที่บางงานวิจัยอาจเถียงว่าสูงกว่าค่า
อาจมีเหตุผลมากกว่า เพราะวิธีการของเรา
ความระมัดระวังในการผลิตสูงสุดสัมบูรณ์ , 8 ใช้
เพราะมันยังไม่เอกฉันท์บนที่สูง ( และดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพน้อย
) ความต้องการควอนตัมทฤษฎี ในอีคิว 3 , ch2o แสดงรูปแบบพื้นฐานของเคมี
พลังงานจับโดยการสังเคราะห์แสง รูปจริง
triosephosphate ( c3h5o3p ) แต่เนื้อหาพลังงานมัก
คำนวณจากกลูโคส ( C6H12O6 ) หลายรายงานค่า
สำหรับ ch2o รวม 496 , 494 , 468.9 และ 470 กิโล∙ mol − 1 [ 6 , 13 ,
29 , 34 ) ค่ามัธยฐานของช่วงอ้างค่า
482.5 KJ ∙ mol − 1
, ใช้ระยะ 7 , ปริมาณพลังงานคาร์โบไฮเดรต
.
การแปล กรุณารอสักครู่..