太陽能電池的發(fā)展背景及應(yīng)用

呂玉榮

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與材料工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

以煤炭為能源的蒸汽機推動了第一次工業(yè)革命，電力驅(qū)動的燈泡照亮了第二次工業(yè)革命前進的方向，原子能、電子計算機等技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造使得第三次工業(yè)革命極大的推動了人類在社會、經(jīng)濟、文化等范疇的先進程度，雖然我們已身處第四次工業(yè)革命，但是我們對新能源的探索從未停止，而且不排除一種新的能源會改變我們?nèi)祟惖纳睢?/p>

1 太陽能電池的發(fā)展背景

1.1 能源枯竭

從第1次工業(yè)革命以來，全世界對能源的需求量越來越大，人們對煤、石油、天然氣等化石資源過度開采，使得這些傳統(tǒng)能源的可使用年限越來越少。據(jù)統(tǒng)計：世界與中國的石油、天然氣和煤的使用年限對比如圖1[1]。

圖1 世界與我國傳統(tǒng)能源使用年限示意圖

1.2 環(huán)境污染、生態(tài)破壞

由于化石燃料的長期使用，使得全球的環(huán)境污染越來越厲害，生態(tài)也遭到了嚴重的破壞。雖然化石燃料的使用，可以使經(jīng)濟得到快速發(fā)展，但是污染、霧霾、酸雨等各種各樣令人棘手的問題也隨之而來。1952年整個倫敦城被黑暗的迷霧所籠罩，直至12月10日，強勁的西風(fēng)才吹散了籠罩在倫敦上空的恐怖煙霧；2016年我國也遭受了歷年來范圍最廣、持續(xù)時間最長、強度最高的霧霾困擾，其中河北石家莊的一些監(jiān)測點，PM2.5指數(shù)一度突破1 000。

1.3 太陽能的優(yōu)點

太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量，是來自太陽的輻射能量。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)，可以維持幾十億至上百億年的時間[2]。在化石燃料日趨減少的背景下，太陽能已經(jīng)成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。

太陽能的優(yōu)點有：(1)資源豐富。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，可以說太陽能資源取之不盡、用之不竭。(2)能源潔凈。與煤、石油、天然氣等化石燃料不同，太陽能不會污染環(huán)境。在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。(3)使用方便。太陽能沒有地域的限制，無須開采和運輸。

2 太陽能電池的應(yīng)用

2.1 航空航天方面

我們最早用太陽能電池供電的是航空航天方面。1958年，太陽能電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。

太陽能電池能夠直接將太陽光能轉(zhuǎn)化為所需電能，在航天飛機(圖2)、空間站(圖3)、人造衛(wèi)星中的應(yīng)用范圍非常廣泛。在太陽無法照射到的陰影位置，設(shè)置蓄電池組與儲能裝置的太陽能電池，可以保障航天器的正常運行。而且，在飛行器上應(yīng)用太陽能電池可以節(jié)約大量的空間，減輕負載，功率需求小，使用壽命長[3]。

圖2 航天飛機供電

圖3 空間站

此外，我們發(fā)射的火星探測器，以及未來我們?nèi)祟愐?guī)劃在月球、火星上建設(shè)的一些移民基地項目等，這些勢必首先都會用到太陽能電池。

2.2 太陽能汽車方面

人們從上世紀八十年代前后開始把太陽能電池用在汽車上，之后美國、荷蘭、日本、中國等國家都對太陽能電池在汽車上的應(yīng)用進行了相關(guān)研究[4]。

太陽能汽車是近幾年來廣受關(guān)注的新能源汽車之一，也被認為是汽車行業(yè)內(nèi)最為環(huán)保的汽車。隨著全球經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能汽車相關(guān)技術(shù)得到了長足的發(fā)展[5]。我國光伏行業(yè)領(lǐng)域最大的薄膜生產(chǎn)企業(yè)——漢能，已經(jīng)設(shè)計出了概念車，如圖4。或許在不久的將來我們就能使用上一款太陽能汽車。目前很多城市實行限號出行，但電動汽車不限號，所以家庭使用電動汽車的數(shù)量越來越多。但是電動汽車最大的痛點就是它的續(xù)航里程問題，無法實現(xiàn)遠距離出行。一旦太陽能電池能夠解決這個問題，相信我們電動汽車的續(xù)航就不再是問題。

圖4 漢能太陽能概念車

2.3 通信方面

在通信方面，可以應(yīng)用到太陽能信號發(fā)射塔、太陽能無線緊急電話機等領(lǐng)域，如圖5和圖6。現(xiàn)在我們國家正在大力建設(shè)5G基站，5G基站需要的能源消耗更大，耗電量大概是4G基站的十八倍左右。并且一個5G基站的覆蓋范圍比原來的4G基站小，所以需要建設(shè)的5G基站數(shù)目更多，尤其是偏遠山區(qū)，架設(shè)專門的電力供電線路難度較大，施工成本也較高，估計每公里工程造價在10萬元以上。而我們的太陽能電池供電可靠，幾乎不受地形、地貌的影響，沒有供電距離的限制，所以應(yīng)用我們的太陽能電池將是個不錯的選擇。

圖5 太陽能信號發(fā)射塔

圖6 太陽能無線緊急電話機

2.4 交通設(shè)施

交通設(shè)施方面的應(yīng)用主要有路燈、信號燈等(如圖7、圖8)，目前被很多城市以及景區(qū)采用。如果太陽能光伏路燈以平均每盞配置光伏組件100 W，全年可發(fā)電量約100度計算。根據(jù)國家發(fā)改委能源所統(tǒng)計口徑：全國已安裝的2 500萬盞太陽能光伏路燈，每年可節(jié)約25億度電，可節(jié)省87.5萬噸標準煤，可減少218萬噸二氧化碳、6.6萬噸二氧化硫和59.5萬噸碳粉塵等污染物排放[6]。

圖7 太陽能路燈

圖8 太陽能信號燈

此外，還可以把光伏組件設(shè)置在高速公路兩側(cè)的隔音障上。原本隔音障只是用來隔音，但是如果我們把隔音障做成光伏組件安裝在兩側(cè)，它既有隔音的效果，又可以發(fā)電，一舉兩得。

2.5 建筑設(shè)施

建筑在利用太陽能過程中受到太陽相對位置、大氣條件、地理環(huán)境位置等因素的影響。因此，太陽能電池在建筑上主要用在建筑物的屋頂、幕墻等位置。山東皇明太陽能總部“日月壇微排大廈”和上海世博會中國館是比較有影響力的建筑[7]。

鶴壁市的金太陽工程千鶴之舞體育館(如圖9、圖10)，場館采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，為2009年國家太陽能光電建筑應(yīng)用項目。

圖9 千鶴之舞體育館

圖10 千鶴之舞體育館屋頂

鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院在2019年建成了一個小型的光伏實驗實訓(xùn)場地——光伏小屋，如圖11。它完全依靠光伏發(fā)電來提供小屋所需的電能，小屋里面有電視、冰箱、電腦以及照明設(shè)施等。光伏小屋發(fā)的電量除了自己用之外，還把多余的電輸送到學(xué)校電網(wǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)累計為學(xué)校電網(wǎng)輸送了1000多千瓦時的電量。

圖11 光伏小屋

世界建筑的發(fā)展趨勢是節(jié)能，加快建筑節(jié)能、綠色、低碳的前進步伐，有利于國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)如今，太陽能在建筑利用中的發(fā)展趨勢是太陽能建筑一體化，在一體化設(shè)計中實現(xiàn)建筑、設(shè)備、技術(shù)和美學(xué)的完美融合，使得太陽能設(shè)施成為建筑的一部分[7]。

3 結(jié)論

太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用。太陽能電池自誕生以來，各國政府紛紛出臺各種扶持政策、投入巨資，以此推動太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣。目前太陽能電池已經(jīng)在航空航天、交通、通信、建筑等方面獲得了廣泛應(yīng)用。相信在不久的將來會成為人類使用能源的主要方式。