太陽(yáng)能作為新能源的應(yīng)用前景

王 澤

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

現(xiàn)代能源技術(shù)是維系人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)賴以生存與持續(xù)發(fā)展的重要基石。由于當(dāng)前全球勞動(dòng)人口的持續(xù)高速增長(zhǎng)以及人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，能量供給不足、環(huán)境污染、氣候快速變暖等環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重，能源消費(fèi)供求矛盾也更加突出。但在目前的全球能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，化石生物燃料依然一直是能源主導(dǎo)，全球生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題仍然在持續(xù)高速增長(zhǎng)，而環(huán)保與有效治理生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題已迫在眉睫，因此研究太陽(yáng)能如何成為可再生的清潔利用燃料尤為重要。它不僅擁有巨大的能源，而且比其他新能源更具可持續(xù)性[1]。

1 太陽(yáng)能介紹

1.1 太陽(yáng)能發(fā)展背景

從工業(yè)革命開(kāi)始，化石燃料就被廣泛運(yùn)用在人們?nèi)粘Ｉ詈徒?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方方面面，但伴隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需要，對(duì)化石燃料供應(yīng)產(chǎn)生了越來(lái)越緊張的形勢(shì)，對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了巨大污染，并導(dǎo)致世界氣候變暖、冰川消融等自然現(xiàn)象的發(fā)生，必須大力發(fā)展以太陽(yáng)能為代表的可再生的生物潔凈燃料技術(shù)，在能源供應(yīng)領(lǐng)域走可持續(xù)發(fā)展的道路，從而保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

1.2 太陽(yáng)能特點(diǎn)

太陽(yáng)能作為一個(gè)二次能源，卻是取之不盡、用之不竭的清潔燃料。它既沒(méi)有對(duì)環(huán)境產(chǎn)生什么影響，也沒(méi)有受能源危機(jī)和國(guó)際能源市場(chǎng)不平衡因素的影響。它尤其適合邊遠(yuǎn)地區(qū)，大大減少了遠(yuǎn)距離供電的建設(shè)以及對(duì)輸電線路的電能消耗，因?yàn)樘?yáng)能的產(chǎn)生并不需要其他能源，從而降低了運(yùn)營(yíng)成本[2]。

1.3 太陽(yáng)能意義

太陽(yáng)能是當(dāng)今世界上最清潔的可再生能源之一，對(duì)人類無(wú)污染，它在發(fā)電過(guò)程中既不會(huì)有噪音，還能夠充分利用太陽(yáng)光資源，同時(shí)由于國(guó)土面積廣闊，所輻射的太陽(yáng)光資源也極其豐富，有效開(kāi)發(fā)利用會(huì)改善人類的生存環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展；而且利用太陽(yáng)能發(fā)電也比較安全，在發(fā)電過(guò)程中不需要能源，而且零排放，環(huán)境清潔衛(wèi)生，符合低碳環(huán)保的要求；太陽(yáng)能發(fā)電不需要長(zhǎng)距離電網(wǎng)建設(shè)，不需要很大的空間，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用意義重大。

2 太陽(yáng)能的應(yīng)用

太陽(yáng)能由于資源豐富，有著取之不盡的能量，而且屬于清潔能源，對(duì)我們?nèi)缃竦沫h(huán)境保護(hù)具有重大的意義，所以得以廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于太陽(yáng)能的光能與熱能之間，太陽(yáng)能與電能之間，太陽(yáng)能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換（如圖1所示），最先得到應(yīng)用的光電轉(zhuǎn)換，最為普遍的是應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器，發(fā)展到現(xiàn)在已有一百多年，技術(shù)已相對(duì)比較成熟，發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)悶曬式、直流式和循環(huán)式，經(jīng)過(guò)研究的進(jìn)步，對(duì)熱水器的形狀和角度進(jìn)行調(diào)整，會(huì)使其吸收熱量更加充足，熱利還有我國(guó)農(nóng)村應(yīng)用較多的集熱采暖，完善了人民生活，太陽(yáng)能熱干燥應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品等。光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，其應(yīng)用光生伏特效應(yīng)來(lái)進(jìn)行發(fā)電，也取得了很好的效果，改善了用傳統(tǒng)燃料發(fā)電給環(huán)境帶來(lái)的影響，其制備工藝也取得了突破性的進(jìn)展，達(dá)到了高效率、低成本的初步目標(biāo)，其研究也在不斷進(jìn)行中，太陽(yáng)能制氫技術(shù)基于光化學(xué)轉(zhuǎn)換，氫能是重要的能源，其應(yīng)用具有重大意義。

圖1 太陽(yáng)能利用方式結(jié)構(gòu)圖

2.1 太陽(yáng)能熱利用

太照在大地上的能量是巨大的，傳輸?shù)臒崃渴求@人的，太陽(yáng)能熱利用取得的效益顯然是可觀的，將太陽(yáng)光輻射的熱量通過(guò)吸收、反射等方式收集起來(lái)[3]，用于人們?nèi)粘Ｉ?，如圖2所示，離我們最近的就是太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能集熱采暖、太陽(yáng)能熱干燥等利用形式，其不僅改變了人們的日常生活，改變了之前傳統(tǒng)的化石能源集熱方式，改變了能源供給結(jié)構(gòu)，而且社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了綠色發(fā)展。

圖2 太陽(yáng)能熱利用結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 太陽(yáng)能熱水器

太陽(yáng)熱水器一直以來(lái)是太陽(yáng)能熱利用最普遍的一種形式，滿足了人們?nèi)粘Ｉ钪械男枨?，得以快速發(fā)展。太陽(yáng)能集熱器由蓄水箱、集熱器、管道組成，其種類包括悶曬式、直流式和循環(huán)式，三者根據(jù)流動(dòng)方式不同進(jìn)行了區(qū)分，悶曬式就是將水放在集熱器里不進(jìn)行流動(dòng)，通過(guò)太陽(yáng)熱量不斷升溫，達(dá)到一定溫度再使用，流動(dòng)式加入蓄熱水箱，首先在集熱器里將水升溫，再流動(dòng)到蓄水箱里，而我們現(xiàn)在普遍在用的是循環(huán)式，其利用不同溫度之間水的密度差，自動(dòng)上水構(gòu)成循環(huán)體系，不過(guò)其發(fā)展過(guò)程中也有各種各樣的問(wèn)題，如何能使太陽(yáng)輻射的熱量達(dá)到相對(duì)比較多，太陽(yáng)在不同時(shí)刻、不同位置，輻射的熱量有所不同，有研究表明通過(guò)改變集熱器的形狀，調(diào)整其角度可以使集熱性能更好，其發(fā)展具有很大前景。

2.1.2 太陽(yáng)能集熱采暖

太陽(yáng)能集熱采暖也是太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要應(yīng)用，分別有兩種采暖方式，一種是直接通過(guò)太陽(yáng)光的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，用建筑物來(lái)進(jìn)行吸熱，而為了提高集熱效率，可以將建筑物的窗戶設(shè)計(jì)得大一點(diǎn)兒，同時(shí)將四周墻壁涂成黑色，作為集熱器。其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，住起來(lái)舒適度好，比較適合我們國(guó)家的農(nóng)村。還有一種是通過(guò)集熱器將熱量收集起來(lái)加熱管道中的水，再將熱水通過(guò)地下管道送至房子進(jìn)行供暖，其主要特點(diǎn)是不占用房子空間，對(duì)環(huán)境不造成污染，可以部分代替常規(guī)能源取暖方式。

2.1.3 太陽(yáng)能熱干燥

傳統(tǒng)干燥方式是將農(nóng)產(chǎn)品直接放在陽(yáng)光下通過(guò)太陽(yáng)輻射進(jìn)行干燥，有明顯的缺點(diǎn)，是很容易遭到天氣的影響，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，花費(fèi)時(shí)間過(guò)多，根據(jù)研究可以通過(guò)集熱方式進(jìn)行干燥，安裝集熱器，直接吸收熱量來(lái)進(jìn)行干燥，此種效果比起傳統(tǒng)方式更加干凈，更加省時(shí)。

2.2 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池又稱光電池，當(dāng)光照射在半導(dǎo)體上，給半導(dǎo)體中的價(jià)電子提供能量，使價(jià)電子脫離束縛，從而使電子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，它簡(jiǎn)單而言是利用光能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行發(fā)電，由于半導(dǎo)體材料的研究有了進(jìn)展，所以晶體硅電池是目前市場(chǎng)上較多的太陽(yáng)電池，但由于基體材料是半導(dǎo)體，成本較高[4]，薄膜太陽(yáng)電池出現(xiàn)了，其制造成本偏低，而且制造方法簡(jiǎn)單，但是它轉(zhuǎn)換效率偏低，相同功率下太陽(yáng)電池的安裝面積增加；而現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了鈣鈦礦太陽(yáng)電池等新型太陽(yáng)電池，其不僅實(shí)現(xiàn)了高的轉(zhuǎn)換效率，還實(shí)現(xiàn)了低成本，已經(jīng)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

2.2.1 晶體硅太陽(yáng)能電池

其主要以晶體硅為主要材料，是技術(shù)最先成熟的一種，也由于硅在自然界儲(chǔ)量豐富，晶體硅太陽(yáng)能電池得以快速發(fā)展，單晶硅電池由于其禁帶寬度小，轉(zhuǎn)換效率較高，已經(jīng)達(dá)到20%多[5]，不過(guò)其生產(chǎn)成本較高，多晶硅電池降低了成本，其發(fā)展也很快趕上了單晶硅電池，兩者占據(jù)了很大市場(chǎng)，由于晶體硅太陽(yáng)電池在生產(chǎn)中要求較高，對(duì)能量消耗大，所以成本也高，不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步，其生產(chǎn)成本也在降低。

2.2.2 薄膜太陽(yáng)能電池

薄膜太陽(yáng)能電池比晶體硅太陽(yáng)能電池的制造工藝更加簡(jiǎn)單，采用直接制備的方法，需要的材料更少，在成本上降低了許多，利用化學(xué)氣相淀積法、磁控濺射法等[6]，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)大面積生產(chǎn)，在生產(chǎn)中所需能量少，并且在高溫時(shí)，其輸出功率不會(huì)受到很大影響，不過(guò)其光電轉(zhuǎn)換效率偏低，但是發(fā)展空間很大。

2.2.3 新型太陽(yáng)能電池

在20世紀(jì)末期，有著不一樣晶體結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料出現(xiàn)了，其具有很好的電催化性能、吸光能力，不僅材料所需成本低、制造成本也低[7]，其帶隙寬度可以通過(guò)改變?cè)铣煞謥?lái)調(diào)節(jié)，在發(fā)展過(guò)程中光電轉(zhuǎn)換效率提升很快，有望超過(guò)晶體硅太陽(yáng)能電池。

2.3 太陽(yáng)能制氫

氫能是一種新型二次能源，其燃燒不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，只會(huì)生成水和氮?dú)浠衔?，可以產(chǎn)生熱能，應(yīng)用到很多的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，水可以產(chǎn)生氫氣，氫氣反應(yīng)也可以產(chǎn)生水，構(gòu)成綠色循環(huán)體系。在傳統(tǒng)制氫方式中，消耗很多的常規(guī)能源，使氫能無(wú)法得到推廣，不過(guò)經(jīng)過(guò)研究，太陽(yáng)光可以將水分解產(chǎn)生氫氣，其不僅無(wú)污染，而且節(jié)能，制氫太陽(yáng)能無(wú)疑是最好的選擇，其發(fā)展意義重大。

3 總結(jié)與展望

太陽(yáng)能作為所有新能源中最為清潔的燃料之一，儲(chǔ)量也極其豐富，對(duì)環(huán)境完全無(wú)污染。使用極其方便，不需要任何燃料。后期的維護(hù)比較簡(jiǎn)單。它在集熱和發(fā)電方面對(duì)其他新能源具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，可以有效解決使用化石燃料帶來(lái)的氣候變暖和環(huán)境污染等問(wèn)題，應(yīng)用前景十分廣闊。