能源与社会——我们的生活向太阳

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1、能源与社会能源与社会我们的生活向太阳我们的生活向太阳李莹 学院：教育学院 班级：教育 0601 学号：1703060113摘要摘要：本文概述了国际能源形势及其发展，重点介绍了太阳能资源开发利用的现状，阐述 目前太阳能开发利用技术的主要形式及其特点，展望了未来人类开发利用太阳能资源的解 决能源问题、可持续发展问题趋势和美好前景。 关键字关键字：能源 太阳能 太阳能开发利用 前言前言：生活的状态由什么决定？很大程度上，是能源。我们生活的改善，生产力的提高都 离不开能源。能源，是我们人类生活的生命线。从历史上看，人类对能源利用的每一次重 大突破都伴随着科技的进步，从而促进生产力大大发展，甚至引起社会

2、生产方式的革命。 如 18 世纪瓦特发明了蒸汽机，以蒸汽代替人力畜力，以煤炭代替木柴，开始了工业革命。 从 19 世纪 70 年代开始，电力逐步代替蒸汽作为主要动力，从而实现了资本主义工业化。 到了 20 世纪 50 年代，随着廉价石油、天然气大规模开发，世界能源的消费结构从以煤炭 为主转向以石油为主，因而使西方经济在 60 年代进入了“黄金时代” 。所以说，能源改变 了，我们的生活状态就会改变。能源与社会进步、国民经济的发展有着密切关系。随着经 济增长，技术进步，以及人口的猛增，对能源的需求量会越来越大。根据国际能源机构公 布的世界能源展望报告显示，从现在起到 2030 年，世界能源需求量将

3、增加 2/3。经济 学家和科学家的普遍估计：到本世纪中叶，也就是 2050 年左右，石油资源将会开采殆尽。 同时，煤、天然气等化石能源由于储量有限性和不可再生性也不能满足日益增长的需求。 因此，在当前已经十分尖锐的能源问题前，世界各国都采取了各自的“代用能源战略” 。在 这个战略中，除了原子能、生物质能外，太阳能因其清洁性、安全性、普遍性、充足性而 更具开发的现实意义、长远的发展前景。面对能源危机即将侵袭人类社会的现状，我们人 类该何去何从？正如歌唱到的：我们的生活，向太阳。 正文正文： 太阳能是太阳内部连续不断得由氢聚变成氦的热核反应过程产生的能量。太阳辐射到 地球大气层的能量约为 4102

4、6w，形象的说大约 40 分钟照射在地球上的太阳能的总和，足 以供全球人类一年的能量消费。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以 及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根 本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的 太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是 可再生能源。它资源丰富（太阳仍有 45 亿生命） ，既可免费使用，又无需运输，对环境无 任何污染。目前，太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要 有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存

5、和太阳能传输。将这些技术与其它相关 技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用-太阳能热利用，太阳能光、化学利用。 1、 太阳能的热利用 太阳能热利用具有广阔的应用领域，可归纳为太阳能热发电(能源产出)和建筑用能(终 端直接用能)，包括采暖、空调和热水等。当前太阳能热利用最活跃，并已形成产业的当属 太阳能热水器和太阳能热发电。 1.1 太阳能热发电现行主流热动力发电系统主要有3种类型：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。槽 式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热 产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到 一个固定在塔顶

6、部的接收器上，以产生很高的温度；碟式系统是由许多镜子组成的抛物面 反射镜，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到750左右，驱动热力机 械循环做功进行发电。这种发电系统结构紧凑，转换效率高，而且余热仍可以用作他用， 但是尚在研究开发阶段，商业化程度并不高，只有槽式系统在美国加州有个大型商业示范 工程。2005年10月29日，由工程院张耀明院士主持研制的国内首座70kW太阳能塔式热发电 示范工程在南京江宁成功并网发电。这一工程在塔式热发电系统中的关键部件定日镜装置 上取得了突破性的进展，发明出具有自主知识产权的定日镜技术。运用这一技术制作的定 日镜成本仅仅是美国同类装置成本的几分之一

7、，加快了我国塔式热发电系统商业化的步伐。1.2 太阳能终端直接用能 太阳能建筑已经逐步应用入我们的生活。例如即将举行的北京奥运会场馆周围的照明 设施80%至90%都是太阳能路灯，而太阳能电话、太阳能无冲洗卫生间等设施也将投入使 用。很多新晋楼盘也是以节能绿色住宅作为卖点，比如朗诗未来之家就是太阳能采暖，并 24小时供应热水的。而世界著名的Google公司，更是致力于环保事业。巨资打造 Googleplex工程，在其总部办公楼顶，安装功率高达1.6兆瓦特的太阳能光伏板，使用的光 伏板数量超过9200块用于供给公司日常运作。节能楼宇不仅已从楼顶突破，同时也在向建 筑一体化过渡，越来越多的生态建筑将

8、出现在我们周围。而太阳能热水器更是已经普遍被 大家所熟悉、使用，但太阳能空调还不被大众所熟悉。太阳能空调系统主要由太阳能集热 装置、热驱动制冷装置和辅助热源组成。其工作方式有二种：一是先实现光-电转换，再用 电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷，这种方式原理简单、容易实现，但成本高。海尔集 团就曾经生产过这种太阳能冰箱和空调。二是利用太阳能转换的热能，驱动进行制冷，这 种制冷方式技术要求高，但成本低、无噪音、无污染，现采用的主要是这种方式。目前， 在太阳能制冷与空调技术的实用化方面研究热点分为太阳能压缩式制冷与空调技术、太阳 能吸收式制冷与空调技术、太阳能吸附式制冷与空调技术、太阳能喷射式制冷与空

9、调技术4 类。其中太阳能吸附式制冷与空调技术的研究最接近于实用化，而且已经有了很多成功的 实例，相信不久的将来肯定会步入寻常百姓人家。 2、 太阳能的光利用 太阳能的光利用，目前一是指太阳光发电，即无需通过热过程直接将光能转变为电能 的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。二是太阳光制氢， 这也是近来科研的前沿领域，其前景不可小视。随着光电化学及光伏技术和各种半导体电 极试验的发展，太阳能制氢必然成为发展氢能产业的最佳选择。太阳能的光利用，因为其 能参与并网发电和建筑一体化，是目前太阳能应用技术中发展最快也是前景最好的。 2.1太阳光发电 光伏发电是利用太阳能级半导体电

10、子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电 能的直接发电方式。自从1839年“光伏效应”的发现、1954年实用性的硅太阳电池问世以 来，世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶 体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。2.1.1单晶硅太阳能电池 单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转换效 率最高，技术也最为成熟。晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池、新 南威尔士大学的钝化发射区电池(PERL)以及德国Fraunhofer太阳能研究所的局域化背场电池等。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外，

11、倒金字塔技术、双层减 反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶硅电池发展的主要原因。如新南威尔士大学的 钝化发射区电池和激光刻槽埋栅电池分别取到247和196的转化率。日本Sanyo公司 采用PECVD工艺开发的HIT电池取得了21的转化率。 2.1.2多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池由于所使用的硅远较单晶硅少，具有成本低的独特优势。但是由于 它存在着晶粒界面和品格错位的明显缺陷，造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20 的关口。多晶硅太阳能电池的实验室以往的最高转换效率为18，工业规模生产的转换效 率为10。不过乔治亚工大光伏中心采用磷吸杂和双层减反射膜技术，使电池的效率达到 186。 新南

12、威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术使电池的效率达到 198；日本Kysera公司采用了PECVD-SiN技术，起到钝化和减反射双重作用，加上表面 织构化和背场技术使15-15cm 大面积多晶硅电池效率达171。此种电池技术已经实 现了工业化生产，商业化电池效率在14以上。 2.1.3薄膜太阳电池 由于受到原材料，加工工艺和制造过程的制约若要再大幅度地降低硅太阳电池成本 是非常困难的。于是，现在发展了薄膜太阳电池，目前主要有硅基薄膜太阳电池、化合物 半导体薄膜电池、染料敏化TiO2太阳电池等。比如，硅-硅串联结构太阳能电池：通过非晶 硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用长波太阳光，提高非晶硅

13、太阳能电池转换效率的良好 途径；用化学束外延(CBE)技术生产的多结-族化合物太阳能电池：-族化合物(如 GaAs,InP)具有较高的光电转换效率；硒化铜铟(CuInSe-2,CIS)薄膜太阳能电池：1974年CIS 电池在美国问世，1993年美国国家可再生能源实验室使它的本征转换效率达16.7%，具有 成本低、可通过增大禁带宽度提高转换效率、没有光致衰降、抗放射性能好等优点；大面 积光伏纳米电池：1991年瑞士M.Grtzel博士领导的研究小组，用纳米TiO-2粉水溶液作涂料， 和含有过渡族金属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出微晶颜料敏感太阳能电池，简称 纳米电池。用纳米技术、光子学、光媒

14、材料、等离子和半导体聚合物材料与技术，均使得 薄膜电池成本低得多。最新科研资料显示：美国Nanosolar公司将使用类似报纸使用的那种 印刷技术，这与别处用于制造太阳能电池所采用的昂贵的基于真空的方法相比，更加廉价。 该公司期望印刷出的灵活的软片能得到广泛应用，从太阳能移动电话到轻便式军用建筑物 所使用的材料。美国Konarka公司已开发出一种具有光活性的光电塑料，据该公司称这种塑 料柔软、重量轻、成本低，比常规硅基太阳能电池用途更广。这种新材料由导电聚合物和 纳米材料制成，可包覆或喷涂在物体表面，类似于照相软片制造过程。该公司说只要有光 线和电池，光电塑料就能让仪器、系统和建筑物拥有自己的低

15、成本、内嵌式的再生能源。 另一个雄心勃勃的工程一一空间太阳能的研究也在进行当中。这一理念以环绕地球的 卫星为基础，用卫星俘获太阳能，然后通过激光束或微波束发射至地面。并用巨大的圆盘 和天线接收这些电流，输入常规电网。 同时，太阳能光伏发电系统还可以同其他发电系统组成混合供电系统，如风-光混合系 统、风-光-油混合系统等。最有发展前景的是太阳能光伏发电系统与电网相连，构成联网 发电系统。联网系统是将太阳能电池发出的直流电通过并网逆变器馈入电网。实践证明： 联网太阳能光伏电站可以对电网调峰、提高电网末端的电压稳定性、改善电网的功率因数 和有效地消除电网杂波，应用前景广阔，是大规模利用太阳能电池发电

16、的发展方向。2.2太阳光制氢 70年代科学家就已经发现：在阳光辐照下TiO2之类宽频带间隙半导体，可对水的电解 提供所需能量，并析出O2和H2，从而在太阳能转换领域产生了一门新兴学科-光电化学。 近来，美国国家可再生能源实验室还推出了一种利用太阳能一次性分解成氢燃料的装置。该装置的太阳能转换率为12.5%，效率比水的二步电解法提高一倍，制氢成本也只有电解 法的大约1/4。日本理工化学研究所以特殊半导体做电极，铂对极，电解质为硝酸钾，在太 阳光照射下制得了氢，光能利用效率为15%左右。在太阳能制氢产业方面，1990年德国建 成一座500kW太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成发电能力为350kW的太阳能制氢厂， 前景广阔。 当然，太阳能利用技术虽然目前发展迅猛，各国都在大力研发，政策、资金多重扶持。 但不可否认，目前该技术仍处于初始阶段，应用成本比较高，商业化水平较低。随着社会的发展、技术的进步、市场的扩大，太阳能利用的成本会不断得下降。而且太阳能相比原 子能，不会产生工程失事后的灾难性影响；相比