太陽(yáng)能的利用及發(fā)展前景

1、太陽(yáng)能的利用及發(fā)展前景(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣州) 摘要：介紹了太陽(yáng)能的特點(diǎn)、利用的方式、利用優(yōu)缺點(diǎn)及當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r，討論了太陽(yáng)能利用的發(fā)展趨勢(shì)，及太陽(yáng)能的利用及發(fā)展給人類的生產(chǎn)、生活和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的意義。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能資源；光電轉(zhuǎn)換；利用方式；優(yōu)缺點(diǎn)0引言能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。新能源的開(kāi)發(fā)利用是人類的共識(shí)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)能源需求逐年增長(zhǎng)。而地球上以石油和煤為主的礦物資源日漸枯竭-能源已成為制約各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。同時(shí)，隨著化石燃料的燃燒，所產(chǎn)生的二氧化碳在大氣中的濃度急劇增加，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化使地球逐漸變暖酸雨同樣是由化石燃料燃燒廢氣中所含的So 、No 等造成的。

2、隨著人類社會(huì)的發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境的呼聲越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)利用無(wú)污染的新能源，對(duì)促進(jìn)社會(huì)文明與進(jìn)步，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，改善人民生活具有重大的意義。太陽(yáng)能是一種清潔的自然再生能源，取之不盡，用之不竭。開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能，既不會(huì)出現(xiàn)大氣的污染，亦不會(huì)影響自然界的生態(tài)平衡，而且陽(yáng)光所及的地方，都有太陽(yáng)能可以利用，太陽(yáng)能以其長(zhǎng)久性、再生性、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)備受人們的青睞。同時(shí)，在當(dāng)今世界，常規(guī)能源逐漸減少，而世界人口卻逐年增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，不久的將來(lái)現(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不可避免地會(huì)發(fā)生巨大變革，無(wú)疑，將會(huì)利用一些新能源，這里，太陽(yáng)能會(huì)起重要作用?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在本世紀(jì)末，下世紀(jì)初，太陽(yáng)能將會(huì)成為較為重要的動(dòng)力源。開(kāi)發(fā)利

3、用太陽(yáng)能是人類社會(huì)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。1太陽(yáng)能的利用1.1太陽(yáng)能的特點(diǎn)現(xiàn)在，太陽(yáng)能的利用還不是很普及，利用太陽(yáng)能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，但是太陽(yáng)能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。地球軌軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1369w/。地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/，相當(dāng)于有102000TW 的能量。人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外），雖然太

4、陽(yáng)能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬(wàn)多倍，但太陽(yáng)能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能面臨的主要問(wèn)題。太陽(yáng)能的這些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代。1.2太陽(yáng)能的利用方式太陽(yáng)能利用主要包括光一熱轉(zhuǎn)換、光一電轉(zhuǎn)換和光一化學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式。1.21光一熱轉(zhuǎn)換光一熱轉(zhuǎn)換就是通過(guò)太陽(yáng)光加熱水箱中的水以備利用，這是光熱轉(zhuǎn)換最常見(jiàn)的、最基本的形式，1太陽(yáng)能熱利用的本質(zhì)在于將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。太

5、陽(yáng)集熱器主要包括平板集熱器和聚光集熱器，平板集熱器是一種不需聚光的集熱器，它吸收太陽(yáng)輻射的面積與采集太陽(yáng)輻射的面積相等，它主要用于太陽(yáng)能熱水、采暖和制冷等方面的應(yīng)用；平板集熱器提供的溫度一般來(lái)說(shuō)比較低，這就限制了它的使用范圍。為了在較高溫度條件下利用太陽(yáng)能，聚光式集熱器就應(yīng)運(yùn)而生，它可將太陽(yáng)光聚集在比較小的吸熱面上，散熱損失少，吸熱效率高，可以達(dá)到較高的溫度。它還有利用廉價(jià)反射器代替昂貴集熱器以降低造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。1.22光一電轉(zhuǎn)換在光照條件下，半導(dǎo)體p-n結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。其過(guò)程是半導(dǎo)體吸收光子后，產(chǎn)生了附加的電子和空穴，這些自由載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的局部電場(chǎng)作用下，各自運(yùn)動(dòng)

6、到界面層兩側(cè)積累起來(lái)，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差。光生伏特效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)，太陽(yáng)能電池應(yīng)用范圍和規(guī)模近來(lái)都得到了較大的發(fā)展。L2 太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電力與火力、水力、風(fēng)力、核能等的發(fā)電原理存在著本質(zhì)的差別，其工作原理主要基于“光生伏打效應(yīng)”，這種效應(yīng)在固體、液體和氣體中均可產(chǎn)生。半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池按材料分類可分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池和有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池等。3。1.23光一化學(xué)轉(zhuǎn)換光一化學(xué)轉(zhuǎn)換尚處于研究開(kāi)發(fā)階段，這種轉(zhuǎn)換技術(shù)包括半導(dǎo)體電極產(chǎn)生電而電解水產(chǎn)生氫，利用氫氧化鈣或金屬氫化物熱分解儲(chǔ)能等形式。太陽(yáng)能制氫問(wèn)題解決了，才能

7、有真正意義上的氫能利用(包括燃料電池)，這將引起時(shí)代的變革。1.3太陽(yáng)能的優(yōu)缺點(diǎn)1.31太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)(1)普遍：太陽(yáng)光普照大地，沒(méi)有地域的限制無(wú)論陸地或海洋，無(wú)論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開(kāi)發(fā)和利用，且無(wú)須開(kāi)采和運(yùn)輸。(2)無(wú)害：開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能不會(huì)污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。(3)巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)輻射能約相當(dāng)于130萬(wàn)億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開(kāi)發(fā)的最大能源。(4)長(zhǎng)久：根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是用之不竭的。1.32太陽(yáng)能的缺點(diǎn)(

8、1)分散性：到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說(shuō)來(lái)，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時(shí)太陽(yáng)輻射的輻照度最大，在垂直于太陽(yáng)光方向1平方米面積上接收到的太陽(yáng)能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，則只有200W左右。而在冬季大致只有一半，陰天一般只有15左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽(yáng)能時(shí)，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價(jià)較高。(2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽(yáng)輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模

9、應(yīng)用增加了難度。為了使太陽(yáng)能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)的替代能源，就必須很好地解決蓄能問(wèn)題，即把晴朗白天的太陽(yáng)輻射能盡量貯存起來(lái)，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽(yáng)能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。(3)效率低和成本高：目前太陽(yáng)能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽(yáng)能利用裝置，因?yàn)樾势?，成本較高，總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。在今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，太陽(yáng)能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。1.4太陽(yáng)能利用的概況1.41國(guó)外的利用概況自1939年美國(guó)麻省理工學(xué)院第一號(hào)太陽(yáng)房建成以來(lái)，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用有了長(zhǎng)足的發(fā)展。比

10、較完善的系統(tǒng)有生活用熱水的產(chǎn)生，供暖、制玲、發(fā)電、海水淡化裝置等美、澳、日、德等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用處于世界領(lǐng)先地位，尤其在光電轉(zhuǎn)換方面投人巨額資金 以色列有近三分之一住宅由太陽(yáng)能供熱水，西歐共有235萬(wàn)棟住房安裝了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)美國(guó)有50萬(wàn)套太陽(yáng)能裝置，有200多個(gè)企業(yè)生產(chǎn)太陽(yáng)能裝置，80年代初美國(guó)年產(chǎn)200多萬(wàn)平方米集熱器，售價(jià)250$m 他們不僅用于家庭熱水，還利用集熱器產(chǎn)生的高溫蒸汽進(jìn)行發(fā)電，建立太陽(yáng)能發(fā)電站美國(guó)預(yù)計(jì)投資67億美元，興建四座塔式太陽(yáng)能發(fā)電站，功率分別為66萬(wàn)千瓦、41萬(wàn)千瓦、38千瓦和3萬(wàn)千瓦。前蘇聯(lián)已建成0.5萬(wàn)千瓦和l萬(wàn)千瓦兩座太陽(yáng)能熱發(fā)電站 。日本國(guó)的

11、新目光計(jì)劃政府采取壘額撥款和差額補(bǔ)貼辦法，鼓勵(lì)家庭使用太陽(yáng)能熱水器，太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。在1 973年日本就擁有太陽(yáng)能熱水器250萬(wàn)臺(tái)，如家用陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)普及率選5 。兼有大量的太陽(yáng)能空調(diào)進(jìn)人家庭。1.42我國(guó)的利用概況我國(guó)太陽(yáng)能熱水器年遞增率在1 430 之間，到1 993年底估計(jì)壘國(guó)已有200多萬(wàn)平方米的太陽(yáng)能熱水器在運(yùn)行，其中家庭熱水器約20多萬(wàn)臺(tái)，90年國(guó)家制訂了 西藏陽(yáng)光計(jì)劃 投資近2億元到93年，西藏建成太陽(yáng)灶24萬(wàn)臺(tái)，太陽(yáng)房3萬(wàn)平方米，太陽(yáng)溫室13萬(wàn)平方米，太陽(yáng)能熱水器045萬(wàn)平方米在革吉縣和改則縣分別建成10千瓦和20千瓦兩座太陽(yáng)能發(fā)電站“)使西藏牧民用上了電燈，看到了

12、電視。2太陽(yáng)能利用技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)在煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源日益減少，而人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大的情況下，太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭、清潔環(huán)保的可再生能源，備受各國(guó)政府重視。國(guó)際太陽(yáng)能利用技術(shù)和產(chǎn)品的日趨成熟，更為太陽(yáng)能推廣利用創(chuàng)造了條件。目前，可持續(xù)發(fā)展觀念被普遍接受，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)、利用的研究也將掀起熱潮。至本世紀(jì)中葉，世界范圍內(nèi)的能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，隨著越來(lái)越多國(guó)家的政府和有識(shí)之士的重視，太陽(yáng)能的利用技術(shù)也有望在短期內(nèi)獲得較大進(jìn)展。2.1太陽(yáng)能電池2.11太陽(yáng)能電池材料太陽(yáng)能電池材料一般的要求有：1)半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；2)要有

13、較高的光電轉(zhuǎn)換效率；3)材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；4)材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且性能穩(wěn)定?；谝陨蠋讉€(gè)方面的考慮，硅是最理想的太陽(yáng)能電池材料，這也是太陽(yáng)能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷出現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以其他材料為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池也愈來(lái)愈顯示出誘人的前景。2.12有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的成熟近年來(lái)，以薄膜取代硅晶制造太陽(yáng)能電池的技術(shù)已較成熟，有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池使用塑料等輕質(zhì)柔軟的材料為基板，研究人員表示，通過(guò)進(jìn)一步研究，有望開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)換率達(dá)2O 、可投入實(shí)際使用的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。專家認(rèn)為，未來(lái)5年內(nèi)薄膜太陽(yáng)能電池將大幅度降低成本，屆時(shí)這種薄膜太陽(yáng)能電池將廣泛用于手表、計(jì)算器、窗簾甚

14、至服裝上。有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如使用壽命長(zhǎng) 可連續(xù)使用20年，制造成本低 生產(chǎn)成本為傳統(tǒng)成本的1314，它輕、薄，容易實(shí)現(xiàn)大面積制造，高柔性、半透光等，最小彎曲半徑為001m；并且綠色環(huán)保，無(wú)任何廢物排放。這些優(yōu)點(diǎn)將使有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用前景廣闊。2.2太陽(yáng)能熱水器在太陽(yáng)能利用中，用太陽(yáng)能生產(chǎn)熱水是在經(jīng)濟(jì)上最有希望與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)的一種利用方式，這不僅因?yàn)樘?yáng)能熱水器比較簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)不太高，同時(shí)還因?yàn)樯钣脽崴话闶浅Ｄ晷枰?，因而太?yáng)能熱水器一年四季均可發(fā)揮效益，設(shè)備利用率較高。2.3太陽(yáng)能光電制氫產(chǎn)業(yè)隨著光電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，使得太陽(yáng)能制氫成

15、為氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。6 氫能具有熱值高、爆發(fā)力強(qiáng)、品質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)。隨著太陽(yáng)能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳?xì)浠衔锬茉磳⑹潜臼兰o(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向。3結(jié)束語(yǔ)進(jìn)人21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)都十分重視太陽(yáng)能利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)，而我國(guó)由于得天獨(dú)厚的地理位置而具有豐富的太陽(yáng)能資源，我國(guó)的年太陽(yáng)能輻射能量，據(jù)估計(jì)能達(dá)到33408400MJm 。由此可見(jiàn)，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源是節(jié)省和替代常規(guī)能源的有效措施，是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路。而根據(jù)有關(guān)部門的預(yù)測(cè)，到2050年左右，太陽(yáng)能將超過(guò)石油天然氣等其他常規(guī)能源的使用規(guī)模而成為新能源的典型代表，進(jìn)而在人類的生產(chǎn)、生活和社會(huì)發(fā)展中扮演重要的角色。參 考 文