1、太陽能的利用及發(fā)展前景(廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 廣州) 摘要：介紹了太陽能的特點、利用的方式、利用優(yōu)缺點及當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r，討論了太陽能利用的發(fā)展趨勢，及太陽能的利用及發(fā)展給人類的生產(chǎn)、生活和社會發(fā)展帶來的意義。關(guān)鍵詞：太陽能資源；光電轉(zhuǎn)換；利用方式；優(yōu)缺點0引言能源是人類社會活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。新能源的開發(fā)利用是人類的共識。隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源需求逐年增長。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經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。同時，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、隨著人類社會的發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境的呼聲越來越高，開發(fā)利用無污染的新能源，對促進社會文明與進步，發(fā)展經(jīng)濟，改善人民生活具有重大的意義。太陽能是一種清潔的自然再生能源，取之不盡，用之不竭。開發(fā)和利用太陽能，既不會出現(xiàn)大氣的污染，亦不會影響自然界的生態(tài)平衡，而且陽光所及的地方，都有太陽能可以利用，太陽能以其長久性、再生性、無污染等優(yōu)點備受人們的青睞。同時，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，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，不久的將來現(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不可避免地會發(fā)生巨大變革，無疑，將會利用一些新能源，這里，太陽能會起重要作用。可以預(yù)見，在本世紀(jì)末，下世紀(jì)初，太陽能將會成為較為重要的動力源。開發(fā)利

3、用太陽能是人類社會長期追求的目標(biāo)。1太陽能的利用1.1太陽能的特點現(xiàn)在，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應(yīng)用。太陽能是太陽內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌軌道上的平均太陽輻射強度為1369w/。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為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、陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。1.2太陽能的利用方式太陽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)換就是通過太陽光加熱水箱中的水以備利用，這是光熱轉(zhuǎn)換最常見的、最基本的形式，1太陽能熱利用的本質(zhì)在于將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。太

5、陽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，它吸收太陽輻射的面積與采集太陽輻射的面積相等，它主要用于太陽能熱水、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說比較低，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能，聚光式集熱器就應(yīng)運而生，它可將太陽光聚集在比較小的吸熱面上，散熱損失少，吸熱效率高，可以達到較高的溫度。它還有利用廉價反射器代替昂貴集熱器以降低造價的優(yōu)點。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)的局部電場作用下，各自運動

6、到界面層兩側(cè)積累起來，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差。光生伏特效應(yīng)的實際應(yīng)用導(dǎo)致太陽能電池的出現(xiàn)，太陽能電池應(yīng)用范圍和規(guī)模近來都得到了較大的發(fā)展。L2 太陽能電池產(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)體太陽能電池按材料分類可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物半導(dǎo)體太陽能電池和有機半導(dǎo)體太陽能電池等。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能等形式。太陽能制氫問題解決了，才能

7、有真正意義上的氫能利用(包括燃料電池)，這將引起時代的變革。1.3太陽能的優(yōu)缺點1.31太陽能的優(yōu)點(1)普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運輸。(2)無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點是極其寶貴的。(3)巨大：每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。(4)長久：根據(jù)目前太陽產(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，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。1.32太陽能的缺點(

8、1)分散性：到達地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1平方米面積上接收到的太陽能平均有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，在利用太陽能時，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、雨等隨機因素的影響，所以，到達某一地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模

9、應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽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。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經(jīng)濟性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當(dāng)一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟性的制約。1.4太陽能利用的概況1.41國外的利用概況自1939年美國麻省理工學(xué)院第一號太陽房建成以來，太陽能的開發(fā)利用有了長足的發(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)濟發(fā)達國家，對太陽能的開發(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能供熱水，西歐共有235萬棟住房安裝了太陽能熱水系統(tǒng)美國有50萬套太陽能裝置，有200多個企業(yè)生產(chǎn)太陽能裝置，80年代初美國年產(chǎn)200多萬平方米集熱器，售價250$m 他們不僅用于家庭熱水，還利用集熱器產(chǎn)生的高溫蒸汽進行發(fā)電，建立太陽能發(fā)電站美國預(yù)計投資67億美元，興建四座塔式太陽能發(fā)電站，功率分別為66萬千瓦、41萬千瓦、38千瓦和3萬千瓦。前蘇聯(lián)已建成0.5萬千瓦和l萬千瓦兩座太陽能熱發(fā)電站 。日本國的

11、新目光計劃政府采取壘額撥款和差額補貼辦法，鼓勵家庭使用太陽能熱水器，太陽能空調(diào)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)。在1 973年日本就擁有太陽能熱水器250萬臺，如家用陽光發(fā)電系統(tǒng)普及率選5 。兼有大量的太陽能空調(diào)進人家庭。1.42我國的利用概況我國太陽能熱水器年遞增率在1 430 之間，到1 993年底估計壘國已有200多萬平方米的太陽能熱水器在運行，其中家庭熱水器約20多萬臺，90年國家制訂了 西藏陽光計劃 投資近2億元到93年，西藏建成太陽灶24萬臺，太陽房3萬平方米，太陽溫室13萬平方米，太陽能熱水器045萬平方米在革吉縣和改則縣分別建成10千瓦和20千瓦兩座太陽能發(fā)電站“)使西藏牧民用上了電燈，看到了

12、電視。2太陽能利用技術(shù)未來發(fā)展趨勢在煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源日益減少，而人類對能源的需求越來越大的情況下，太陽能作為取之不盡、用之不竭、清潔環(huán)保的可再生能源，備受各國政府重視。國際太陽能利用技術(shù)和產(chǎn)品的日趨成熟，更為太陽能推廣利用創(chuàng)造了條件。目前，可持續(xù)發(fā)展觀念被普遍接受，太陽能開發(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)的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用，隨著越來越多國家的政府和有識之士的重視，太陽能的利用技術(shù)也有望在短期內(nèi)獲得較大進展。2.1太陽能電池2.11太陽能電池材料太陽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€方面的考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽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)的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。2.12有機薄膜太陽能電池的成熟近年來，以薄膜取代硅晶制造太陽能電池的技術(shù)已較成熟，有機薄膜太陽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，通過進一步研究，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換率達2O 、可投入實際使用的有機薄膜太陽能電池。專家認(rèn)為，未來5年內(nèi)薄膜太陽能電池將大幅度降低成本，屆時這種薄膜太陽能電池將廣泛用于手表、計算器、窗簾甚

14、至服裝上。有機薄膜太陽能電池具有很多優(yōu)點，比如使用壽命長 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，無任何廢物排放。這些優(yōu)點將使有機薄膜太陽能電池應(yīng)用前景廣闊。2.2太陽能熱水器在太陽能利用中，用太陽能生產(chǎn)熱水是在經(jīng)濟上最有希望與常規(guī)能源競爭的一種利用方式，這不僅因為太陽能熱水器比較簡單，價格相對來說不太高，同時還因為生活用熱水一般是常年需要的，因而太陽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)體電極實驗技術(shù)的發(fā)展，使得太陽能制氫成

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、品質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點。隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳?xì)浠衔锬茉磳⑹潜臼兰o(jì)的一個重要發(fā)展方向。3結(jié)束語進人21世紀(jì)以來，世界各國都十分重視太陽能利用技術(shù)的開發(fā)，而我國由于得天獨厚的地理位置而具有豐富的太陽能資源，我國的年太陽能輻射能量，據(jù)估計能達到33408400MJm 。由此可見，充分開發(fā)利用太陽能資源是節(jié)省和替代常規(guī)能源的有效措施，是實現(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，到2050年左右，太陽能將超過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，進而在人類的生產(chǎn)、生活和社會發(fā)展中扮演重要的角色。參 考 文