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1、太阳能的利用及发展前景(广东工业大学机电工程学院 广州) 摘要：介绍了太阳能的特点、利用的方式、利用优缺点及当前的发展状况，讨论了太阳能利用的发展趋势，及太阳能的利用及发展给人类的生产、生活和社会发展带来的意义。关键词：太阳能资源；光电转换；利用方式；优缺点0引言能源是人类社会活动的物质基础。新能源的开发利用是人类的共识。随着世界经济的飞速发展，对能源需求逐年增长。而地球上以石油和煤为主的矿物资源日渐枯竭-能源已成为制约各国经济发展的瓶颈。同时，随着化石燃料的燃烧，所产生的二氧化碳在大气中的浓度急剧增加，生态环境逐渐恶化使地球逐渐变暖酸雨同样是由化石燃料燃烧废气中所含的So 、No 等造成的。
2、随着人类社会的发展，改善生态环境的呼声越来越高，开发利用无污染的新能源，对促进社会文明与进步，发展经济，改善人民生活具有重大的意义。太阳能是一种清洁的自然再生能源，取之不尽，用之不竭。开发和利用太阳能，既不会出现大气的污染，亦不会影响自然界的生态平衡，而且阳光所及的地方，都有太阳能可以利用，太阳能以其长久性、再生性、无污染等优点备受人们的青睐。同时，在当今世界，常规能源逐渐减少，而世界人口却逐年增长，科学技术迅速发展，不久的将来现有的能源转换系统，不可避免地会发生巨大变革，无疑，将会利用一些新能源，这里，太阳能会起重要作用。可以预见，在本世纪末，下世纪初，太阳能将会成为较为重要的动力源。开发利
3、用太阳能是人类社会长期追求的目标。1太阳能的利用1.1太阳能的特点现在，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题，但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨轨道上的平均太阳辐射强度为1369w/。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/，相当于有102000TW 的能量。人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太
4、阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。1.2太阳能的利用方式太阳能利用主要包括光一热转换、光一电转换和光一化学转换三种方式。1.21光一热转换光一热转换就是通过太阳光加热水箱中的水以备利用，这是光热转换最常见的、最基本的形式，1太阳能热利用的本质在于将太阳辐射能转化为热能。太
5、阳集热器主要包括平板集热器和聚光集热器，平板集热器是一种不需聚光的集热器，它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，它主要用于太阳能热水、采暖和制冷等方面的应用；平板集热器提供的温度一般来说比较低，这就限制了它的使用范围。为了在较高温度条件下利用太阳能，聚光式集热器就应运而生，它可将太阳光聚集在比较小的吸热面上，散热损失少，吸热效率高，可以达到较高的温度。它还有利用廉价反射器代替昂贵集热器以降低造价的优点。1.22光一电转换在光照条件下，半导体p-n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。其过程是半导体吸收光子后，产生了附加的电子和空穴，这些自由载流子在半导体内的局部电场作用下，各自运动
6、到界面层两侧积累起来，形成净空间电荷而产生电位差。光生伏特效应的实际应用导致太阳能电池的出现，太阳能电池应用范围和规模近来都得到了较大的发展。L2 太阳能电池产生电力与火力、水力、风力、核能等的发电原理存在着本质的差别，其工作原理主要基于“光生伏打效应”，这种效应在固体、液体和气体中均可产生。半导体太阳能电池按材料分类可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和有机半导体太阳能电池等。3。1.23光一化学转换光一化学转换尚处于研究开发阶段，这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢，利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等形式。太阳能制氢问题解决了，才能
7、有真正意义上的氢能利用(包括燃料电池)，这将引起时代的变革。1.3太阳能的优缺点1.31太阳能的优点(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。1.32太阳能的缺点(
8、1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有15左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模
9、应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。1.4太阳能利用的概况1.41国外的利用概况自1939年美国麻省理工学院第一号太阳房建成以来，太阳能的开发利用有了长足的发展。比
10、较完善的系统有生活用热水的产生，供暖、制玲、发电、海水淡化装置等美、澳、日、德等经济发达国家，对太阳能的开发利用处于世界领先地位，尤其在光电转换方面投人巨额资金 以色列有近三分之一住宅由太阳能供热水，西欧共有235万栋住房安装了太阳能热水系统美国有50万套太阳能装置，有200多个企业生产太阳能装置，80年代初美国年产200多万平方米集热器，售价250$m 他们不仅用于家庭热水，还利用集热器产生的高温蒸汽进行发电，建立太阳能发电站美国预计投资67亿美元，兴建四座塔式太阳能发电站，功率分别为66万千瓦、41万千瓦、38千瓦和3万千瓦。前苏联已建成0.5万千瓦和l万千瓦两座太阳能热发电站 。日本国的
11、新目光计划政府采取垒额拨款和差额补贴办法，鼓励家庭使用太阳能热水器，太阳能空调、太阳能发电系统。在1 973年日本就拥有太阳能热水器250万台，如家用阳光发电系统普及率选5 。兼有大量的太阳能空调进人家庭。1.42我国的利用概况我国太阳能热水器年递增率在1 430 之间，到1 993年底估计垒国已有200多万平方米的太阳能热水器在运行，其中家庭热水器约20多万台，90年国家制订了 西藏阳光计划 投资近2亿元到93年，西藏建成太阳灶24万台，太阳房3万平方米，太阳温室13万平方米，太阳能热水器045万平方米在革吉县和改则县分别建成10千瓦和20千瓦两座太阳能发电站“)使西藏牧民用上了电灯，看到了
12、电视。2太阳能利用技术未来发展趋势在煤炭、石油、天然气等常规能源日益减少，而人类对能源的需求越来越大的情况下，太阳能作为取之不尽、用之不竭、清洁环保的可再生能源，备受各国政府重视。国际太阳能利用技术和产品的日趋成熟，更为太阳能推广利用创造了条件。目前，可持续发展观念被普遍接受，太阳能开发、利用的研究也将掀起热潮。至本世纪中叶，世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用，随着越来越多国家的政府和有识之士的重视，太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。2.1太阳能电池2.11太阳能电池材料太阳能电池材料一般的要求有：1)半导体材料的禁带不能太宽；2)要有
13、较高的光电转换效率；3)材料本身对环境不造成污染；4)材料便于工业化生产且性能稳定。基于以上几个方面的考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断出现和相关技术的发展，以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。2.12有机薄膜太阳能电池的成熟近年来，以薄膜取代硅晶制造太阳能电池的技术已较成熟，有机薄膜太阳能电池使用塑料等轻质柔软的材料为基板，研究人员表示，通过进一步研究，有望开发出转换率达2O 、可投入实际使用的有机薄膜太阳能电池。专家认为，未来5年内薄膜太阳能电池将大幅度降低成本，届时这种薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚
14、至服装上。有机薄膜太阳能电池具有很多优点，比如使用寿命长 可连续使用20年，制造成本低 生产成本为传统成本的1314，它轻、薄，容易实现大面积制造，高柔性、半透光等，最小弯曲半径为001m；并且绿色环保，无任何废物排放。这些优点将使有机薄膜太阳能电池应用前景广阔。2.2太阳能热水器在太阳能利用中，用太阳能生产热水是在经济上最有希望与常规能源竞争的一种利用方式，这不仅因为太阳能热水器比较简单，价格相对来说不太高，同时还因为生活用热水一般是常年需要的，因而太阳能热水器一年四季均可发挥效益，设备利用率较高。2.3太阳能光电制氢产业随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极实验技术的发展，使得太阳能制氢成
15、为氢能产业的最佳选择。6 氢能具有热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展，用氢能取代碳氢化合物能源将是本世纪的一个重要发展方向。3结束语进人21世纪以来，世界各国都十分重视太阳能利用技术的开发，而我国由于得天独厚的地理位置而具有丰富的太阳能资源，我国的年太阳能辐射能量，据估计能达到33408400MJm 。由此可见，充分开发利用太阳能资源是节省和替代常规能源的有效措施，是实现能源可持续发展战略的必由之路。而根据有关部门的预测，到2050年左右，太阳能将超过石油天然气等其他常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表，进而在人类的生产、生活和社会发展中扮演重要的角色。参 考 文 献1范永杰，於黄忠，林文健太阳电池的原理及结构进展EJ中国材料科技与设备，2008(2)：16182李申生： 太阳能热利用导论，高等教育出版社1989年版。3李锦堂：20世纪太阳能科技发展的回顾与展望， 太阳能学报1999年特刊。4张耀明，邹宁宇海水淡化技术与太阳能利用j中国工程科学，2005，7(11)：37415赵玉文21世纪我国太阳能利用发展趋势J中国电力，2000，33(9)：73 776梁宗存，沈辉，李戬洪太阳能电池研究进展EJ能源工程，2000(4)：811
