太陽能開發(fā)與利用

1、太陽能的開發(fā)與利用 學院 資源與安全工程學院 專業(yè)班級 采礦工程試驗1403 姓名 王維 學號 0204140307 指導(dǎo)老師 唐有根中南大學 2015年4月16日 摘要隨著人口的增長和社會的發(fā)展，大量的能源消耗將使世界傳統(tǒng)的能源資源趨于枯竭，地球的傳統(tǒng)能源已經(jīng)無法提供人類的能源需求。根據(jù)當前已探明儲量，石油、天然氣、鈾、煤分別僅供人類使用至2050、2070、2075、2160年之前。地球上超過50億年積累的能源，在幾十上百年間即將被人類耗盡，能源危機正逐漸蔓延到世界的每個角落，成為經(jīng)濟社會發(fā)展的一個瓶頸。全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠的可持續(xù)

2、發(fā)展。太陽能有著巨大的潛在資源優(yōu)勢，大規(guī)模開發(fā)利用太陽能將從根本上解決未來世界對能源消費的需求。太陽是地球上的能源的根本，太陽輻射作為一種新能源，無疑是清潔，可持續(xù)能源的代表。太陽能是一種不需運輸，無污染，最清潔的能源，太陽能作為取之不盡的天然能。照射到地球上的太陽能，達到每秒1.7*104kw,地球上每小時獲得的太陽能可滿足全年能量的需要。目錄1.太陽能利用概論2.太陽能研究的發(fā)展歷史3.太陽能利用的基本方式3.1太陽能熱利用(1)太陽能熱水器(2)太陽能熱發(fā)電(3)太陽能制冷(4)太陽房3.2太陽能光電利用3.3太陽能光化學(1)太陽能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換(2)太陽能制氫(3)光電轉(zhuǎn)換電解水制氫

3、 4.參考文獻1太陽能利用概論 太陽能有著巨大的潛在資源優(yōu)勢，大規(guī)模開發(fā)利用太陽能將從根本上解決未來世界對能源消費的需求。而光伏發(fā)電則是開發(fā)利用太陽能的最有效手段。我國屬太陽能資源豐富的國家之一，太陽能輻射總量在33×10 -84×10zJ(m ·a)之間。全國總面積23以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2 000 h，可開發(fā)的太陽能資源達21 250億kW，折合標準煤為17 000億t。 國際上普遍認為，在長期的能源戰(zhàn)略中，太陽能光伏發(fā)電在太陽能熱發(fā)電、風力 發(fā)電、海洋發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等許多可再生能源中具有更重要的地位，可以說太陽能產(chǎn)業(yè)是一個沒有發(fā)展盡頭的行業(yè)，或?qū)纹鹑?/p>

4、類發(fā)展的大梁。當今人類對太陽能的運用已經(jīng)拓展到了更深更廣的領(lǐng)域。世界經(jīng)濟研究所早在十年前就預(yù)言光伏是2l世紀高新技術(shù)角逐的前列之一。根據(jù)歐盟聯(lián)合研究中心預(yù)測，本世紀太陽能將成為人類支柱性能源，其快速發(fā)展期在2030年至2050年之間。 太陽能行業(yè)是一個包括光熱、光伏、光電的巨大產(chǎn)業(yè)。太陽能的利用方式主要有： 光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能聚熱系統(tǒng)、太陽能熱水器、太陽能取暖和制冷等。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽能利用中最具有意義的技術(shù)，成為世界各國研究應(yīng)用的熱點，在這一一領(lǐng)域的任何突破和進展，將對人類未來能源的利用產(chǎn)生革命性影響。專家認為，太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部

5、分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計：2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占30以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達到10以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20以上；21世紀末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占80以上，太陽能發(fā)電將占60以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。 2太陽能研究的發(fā)展歷史 太陽能科技的發(fā)展歷史大致可分為以下七個階段。（1） 第一階段（1900-1920）在這一階段，世界上太陽能研究的重點仍然是太陽能的動力裝置，但采用聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器和低沸點工

6、質(zhì)，裝置逐漸擴大，最大輸出功率達73.64kw，實用目的比較明確，造價仍然很高。建造的典型裝置有：1901年，在美國加州建成一臺太陽能抽水裝置；19021908年，在美國建造了五套雙循環(huán)太陽能發(fā)動機，采用平板集熱器和低沸點工質(zhì)；1913年，在埃及開羅以南建成一臺有五個拋物槽鏡組成的太陽能水泵，每個長62.5m，寬4m,采光面積達1250平方米。（2） 第二階段（19201945）在這20多年中，太陽能的研究工作處于低潮，參加研究工作的人數(shù)和研究項目大為減少，其原因與礦物材料的大量開發(fā)與利用和第二次世界大戰(zhàn)有關(guān)，而太陽能不能解決當時能源的需要，因此使太陽能的研究工作逐漸受到冷落。（3） 第三階段

7、（19451965）在這一階段，太陽能的研究工作取得一些重大進展。比較突出的有：1945年，美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽能電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；1955年，以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學會議上提出選擇性涂層，為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了條件；1952年，法國國家研究中心在比利牛斯山東部建成一座功率為 50kw的太陽爐；1960年，在美國佛羅里達建成世界上第一套用平板集熱器供熱的氨-水吸收式空調(diào)系統(tǒng)，制冷能力為5冷噸；1961年，一臺有石英窗的斯特林問世。在這一階段里，加強了太陽能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究，取得了太陽能選擇性涂層和硅太陽能電池等技術(shù)的重大突破。（4） 第四階段

8、（19651973年）這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾企業(yè)和政府的重視和支持。（5） 第五階段（1972198年)自從石油在世界能源結(jié)構(gòu)中擔當主角之后，石油就成了左右經(jīng)濟和決定一個國家生死存亡、發(fā)展和衰退的關(guān)鍵因素。1973年10月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭，石油輸出國組織采取石油減產(chǎn)，提價等辦法，支持中東地區(qū)人民的斗爭，維護本國利益，其結(jié)果是使那些依靠中東地區(qū)大量進口廉價石油的國家在經(jīng)濟上遭遇嚴重打擊。這次“危機”使人們意識到，重新加強太陽能及其他可再生能源技術(shù)發(fā)展的重要性。世界上再一次興起了開發(fā)

9、利用太陽能的熱潮。1973年，美國制訂了政府級陽光發(fā)電計劃，促進了太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。日本在1974年公布了“陽光計劃”，其中太陽能的開發(fā)研究項目有：太陽房、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電池生產(chǎn)系統(tǒng)等。20世紀70年代初世界上開發(fā)利用的太陽能熱潮對中國也產(chǎn)生了巨大的影響。1975年，在河南安陽召開“全國第一次太陽能利用工作經(jīng)驗交流大會”，進一步推動了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展。（6） 第六階段（19801992）20世紀70年代興起的開發(fā)利用太陽能熱潮，進入80年代以后，逐漸進入低谷。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經(jīng)費，其中美國最為突出。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是：世界石油價格大幅度回落，

10、而太陽能產(chǎn)品價格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標沒有實現(xiàn)，以致動搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核電發(fā)展較快，對太陽能也起到了一定的抑制作用。這一階段，雖然太陽能開發(fā)研究經(jīng)費大幅度削減，但研究工作并未中斷。有的項目進展較大，而且促使人們認真的去審視以往的計劃和研制的目標，調(diào)整工作重點，爭取以較少的投入取得較大的成果。（7） 第七階段（1992年至今）由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。在這樣的背景下，1992年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，會議通過了里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言、21世紀議程和聯(lián)合國氣候

11、變化框架公約等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會議之后世界各國加強了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護結(jié)合在一起，使太陽能的利用走出低谷，逐漸得到加強。3.太陽能利用的基本方式 太陽能利用的基本方式可分為太陽能熱利用，太陽能光電利用，太陽能光化學等。3.1太陽能熱利用 太陽能熱利用歷史悠久，千百年來人們廣泛利用太陽光曬干衣服、 物料和工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品等，但這些都是最簡單的利用，人類真正高品質(zhì)的利用太陽熱能的時間還不長。在太陽能熱利用方面主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電等方式。太陽能熱利用包括太陽能熱水器、太陽能熱發(fā)電、太陽能制冷

12、、太陽房等。（1）太陽能熱水器 伴隨著人們對環(huán)境保護和能源危機意識的加強，太陽能資源的開發(fā)與利用越來越得到人們的認可和重視，太陽能熱水器的市場前景相當廣闊。太陽能熱水器是太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要內(nèi)容之一。太陽能熱水器經(jīng)過近20年的研究和開發(fā)，其技術(shù)已趨于成熟，是目前我國新能源行業(yè)中最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)品之一。太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由集熱器、儲水箱及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能主要依靠集熱管。太陽能集熱器是在太陽能熱系統(tǒng)中接受太陽輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的裝置。太陽能集熱器按傳熱工質(zhì)可分為液體集熱器和空氣集

13、熱器；按采光方式可分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器。（2) 太陽能熱發(fā)電 太陽能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的過程。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱及熱交換系統(tǒng)和汽輪機發(fā)電系統(tǒng)組成。世界上現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)大致有三類：槽式聚焦系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式聚焦系統(tǒng)（又稱碟式/斯特林系統(tǒng)）。槽式聚焦系統(tǒng)是利用拋物柱面反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并經(jīng)高管內(nèi)傳熱物質(zhì)加熱，在換熱器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用一組獨立跟蹤太陽的定日鏡將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器上，用以產(chǎn)生高溫，然后由傳熱介質(zhì)將得到的熱量傳送到安裝在塔下的透平發(fā)電裝置中，推動

14、透平，帶動發(fā)電機發(fā)電。碟式/斯特林系統(tǒng)是由許多鏡子構(gòu)成的拋物面反射鏡組成，接收器在拋物面的焦點上，接收器內(nèi)的傳熱物質(zhì)被加熱到750攝氏度左右，驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。碟式/斯特林系統(tǒng)光學效率高，啟動損失小，效率高達29%，在三種系統(tǒng)中位居首位。（3) 太陽能制冷太陽能制冷是將熱能或電能進行制冷的方式。隨著蒙特利爾條約的簽訂，氟利昂壓縮式制冷機將逐漸退出市場。利用水、蒸氣或其他熱源驅(qū)動的溴化鋰吸收式制冷機將逐漸成為一種趨勢，尤其是在中央空調(diào)方面。太陽能空調(diào)系統(tǒng)是以太陽能來驅(qū)動制冷機工作，以達到節(jié)約常規(guī)能源消耗、降低系統(tǒng)運行費用的目的。太陽能空調(diào)，制熱時以太陽能和可再生的生物質(zhì)燃料為主要能源，是真正的

15、綠色取暖方式。制冷時借助少量的電能利用地源低溫，采用超導(dǎo)能量輸送系統(tǒng)直接制冷，達到最合理的節(jié)能制冷效果。不會消耗大量難以再生的能源，而且在制冷過程中不會釋放太多的二氧化碳。（4） 太陽房太陽房是利用太陽能采暖和降溫的房子。是一種既可取暖發(fā)電，又可去濕降溫、通風換氣的節(jié)能環(huán)保住宅。最簡便的一種太陽房叫被動式太陽房 ，建造容易，不需要安裝特殊的動力設(shè)備；比較復(fù)雜一點，使用方便舒適的另一種太陽房叫主動式太陽房；更為講究高級的一種太陽房叫空調(diào)制冷式太陽房。太陽房可以節(jié)約75%-90%的能耗，并具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，成為各國太陽能利用技術(shù)和應(yīng)用方面，歐洲處于領(lǐng)先地位，特別是在玻璃涂層、透明隔熱材

16、料等方面居世界領(lǐng)先地位。日本已利用這種技術(shù)建成了上萬套太陽房，節(jié)能幼兒園、節(jié)能辦公室、節(jié)能醫(yī)院也在大力推廣。中國也正在推廣綜合利用太陽能，使建筑物完全不依賴常規(guī)節(jié)能環(huán)保性住宅。在不久的將來，太陽房將造福越來越多的人。3.2太陽能光電利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能有兩種基本途徑：一種是把太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，即“太陽熱發(fā)電”；另一種是通過光電器件將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能，即“太陽光發(fā)電”。光發(fā)電到目前為止已發(fā)展成為兩種類型：一種是光生伏達電池，一般俗稱太陽能電池；另一種是正在探索之中的光化學電池。太陽能電池具有方便、不需燃料和無污染等優(yōu)點，近年來得到很大的發(fā)展，有可能成為未來社會能源結(jié)構(gòu)的主要成員。太陽能電

17、池是通過光電效應(yīng)或者光化學效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學上成為太陽能光伏，簡稱光伏。目前，太陽能電池市場競爭激烈，歐洲和日本領(lǐng)先的格局已被打破。盡管主要的銷售市場在歐洲，但太陽能電池的生產(chǎn)重鎮(zhèn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到亞洲。2012年，全球太陽能電池產(chǎn)量達到37.4gw,同比增長6.3%。在世界光伏市場的強力拉動下，中國太陽能電池的制造業(yè)通過引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，獲得了長足的發(fā)展。中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大致可分為三個階段。第一階段為1984年以后的研究開發(fā)時期；之后迎來了2001年以后的產(chǎn)業(yè)形成時期，第二階段也是傷的等太陽能電池廠商開始創(chuàng)業(yè)的時期；2005

18、年至今的第三階段是中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展時期。3.3太陽能光化學利用光化學反應(yīng)可以將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，主要有三種方法：光合作用、光化學作用（如光分解水制氫）和光電轉(zhuǎn)換（光轉(zhuǎn)換成電后電解水制氫）。（1） 太陽能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換通過植物光合作用，太陽能把二氧化碳和水合成有機物（生物質(zhì)能）并放出氧氣。光合作用是地球上最大規(guī)模轉(zhuǎn)換太陽能的過程。光合作用是通過將光能轉(zhuǎn)化為電能，繼而將電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學能，最終將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學能的過程，這一過程為利用光合作用發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。光合作用的第一個能量轉(zhuǎn)換過程是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@是一個運轉(zhuǎn)效率極高的光物理、光化學過程，而且光合作用是一個普遍的純粹的生理過程，是純天然的“發(fā)電機”，利用的原料成本很低，且不會造成環(huán)境污染。如果能將這種生理過程應(yīng)用到太陽能到電能的轉(zhuǎn)化，將會使人們更高效的利用太陽能獲得所需的能量，獲得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益雙豐收。（2） 太陽能制氫氫能是一種高品位的能源。太陽能可以通過分解水或其他途徑轉(zhuǎn)換成氫能，即太陽能制氫。從能源上考慮，光解水制氫是太陽能通過光化學反應(yīng)轉(zhuǎn)換為可儲存的化學能的最好途徑。這種方法的創(chuàng)新之處在于將取之不盡的太陽能通過光化學反應(yīng)轉(zhuǎn)換為儲存于單質(zhì)氫的化學能。地球上的水資源