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太阳能技术及其应用河南省新能源技术科技特派员黄淮学院电子科学与工程系实验中心主任教授张晓伏主要内容一、能源危机与新能源的开发利用二、太阳能的利用现状三、家庭用小功率太阳能应用系统一、能源危机与新能源的开发利用1、能源的概念能源是一切运动的源泉，包括自然、社会、人、物质的运动，都离不开能源。这里，能源一般指煤炭、电力、石油、天然气和其他自然资源（化石能源）。能源就像我们的身体五脏六腑（煤、石油、森林、海洋与土地等），人类的开采，使地球的五脏六腑已经进入中年！伴随人们对现有能源的大肆开采，地球资源正逐步减少，能源危机正在生成。2、能源危机能源危机是指因为能源供应短缺或是价格上涨而影响经济。这通常涉及到石油、电力或其他自然资源的短缺。能源价格是受供需关系的影响，而供需关系中的供或需的改变都可以导致能源价格的突然变化，影响市场经济。世界层面1973年能源危机-原因：石油输出的主要力量为阿拉伯国家，他们因不满西方国家支持以色列而采取石油禁运。1979年能源危机-原因：伊朗革命爆发。1990年石油价格暴涨-原因：波斯湾战争。2003年的伊拉克战争（2003.10~2011.12）-美国为首的多过部队绕过联合国对伊拉克发动侵略，目的是为了控制石油。我国情况我国面临严重的能源短缺危机我国是一个能源生产大国和消费大国，拥有丰富的化石能源资源。但是中国的人均能源资源拥有量较低，煤炭和水力资源人均拥有量仅相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源拥有量仅为世界平均水平的1/15左右。能源资源赋存不均衡，开发难度较大，已探明石油、天然气等优质能源储量严重不足。再加上能源利用技术落后，利用低下，在经济高速增长的条件下，我国能源的消耗速度比其他国家更快，能源枯竭的威胁可能来得更早、更严重。能源危机迫在眉睫世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。石油储量的综合估算，全球可支配的化石能源的极限，大约为1180~1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭；天然气储备估计在131800~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57~65年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。铀的年开采量为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。核聚变到2050年还没有实现的希望。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁。克服能源危机的出路大力发展可再生能源用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的原因；与之相连的是世界经济可获得持续的发展。在这种世界经济中，高科技术和生态可以承载的区域性经济形式将得以发展。可再生能源主要有如下方面：太阳能、风能、生化物资能源、海洋能源、地热能源、核能等。（1）太阳能太阳向宇宙空间辐射能量极大，而地球所接受的只是其中极其微小的一部分。因地理位置以及季节和气候条件的不同，不同地点和在不同时间里所接受到的太阳能有所差异。地面所接受到的太阳能平均值大致是：北欧地区约为每天每一平方米2千瓦/小时，大部分沙漠地带和大部分热带地区以及阳光充足的干旱地区约为每平方米6千瓦/小时。目前人类所利用的太阳能尚不及能源总消耗量的1%。•2、新型能源的开发利用（2）地热能据测算，在地球的大部分地区，从地表向下每深人100米温度就约升高3℃，地面下35公里处的温度约为1100℃一1300℃，地核的温度则更高达2000℃以上。估计每年从地球内部传到地球表面的热量，约相当于燃烧370亿吨煤所释放的热量。如果只计算地下热水和地下蒸汽的总热量，就是地球上全部煤炭所储藏的热量的1700万倍。现在地热能主要用来发电，不过非电应用的途径也十分广阔，世界上第一座利用地热发电的试验电站于1904年在意大利运行，地热资源受到普遍重视是本世纪60年代以后的事。目前世界上许多国家都在积极地研究地热资源的开发和利用。我国地热资源也比较丰富，高温地热资源主要分布在西藏、云南西部和台湾等地。（3）核能技术核能是原子核裂变（或聚变）所产生的能量，利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。与传统能源相比，其优越性极为明显。1公斤铀235裂变所产生的能量大约相当于2500吨标准煤燃烧所释放的热量。1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦的奥布宁斯克核电站，英、美等国也相继建成各种类型的核电站。到1960年，有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦。由于核浓缩技术的发展，到1966年，核能发电的成本已低于火力发电的成本，核能发电真正迈入实用阶段。1978年全世界22个国家和地区正在运行的30兆瓦以上的核电站反应堆已达200多座，总装机容量已达107776兆瓦。80年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。到1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为3.275亿千瓦，其发电量占全世界总发电量的约16%。中国大陆的核电起步较晚，80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。目前，我国核电站数量为：一、已经建成的9座：1，广东大亚湾核电站（94年）2，浙江秦山第一核电站（94年）3，广东岭澳核电站（2002年）4，浙江秦山第二核电站（2002年）5，浙江秦山第三核电站(2003年)6，江苏连云港田湾核电站（2006年）7，台湾3座二、正在建设之中的3座：1，辽宁瓦房店核电站一期工程（暂停）2，台湾2座三、即将破土开工的4座：1，广东阳江核电站2，浙江台州三门核电站3，山东海阳核电站4，广东岭澳核电站二期工程缺点1．核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。2．核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。3．核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。4．兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。5．核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。大的事故，比如1979年美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站事故1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故日本福岛核电站事故堆芯一回路失水，引起堆芯裸露，导致堆芯熔化后出现的事故，事故定义为5级。是因为操纵员的误判造成的。主要是因为设计缺陷，控制棒在零功率附近有一个正的功率系数，相当于插入控制棒并不能使反应变慢，反而增大了反应性，最后反应堆不受控制而爆炸。属于到了茅厕却把屎拉在裤子里了，福岛核电站建成于上世纪70年代，已经到了退役年纪，日本也在做退役工作，但是地震加海啸导致日本福岛县电网断电，福岛核电站应急柴油机房被安排在一个低洼的地方，海水淹没了柴油发电机，导致全厂失电，反应堆无法停堆。（4）海洋能技术海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能和海水温差能等，这些都是可再生能源。海水的潮汐运动是月球和太阳的引力所造成的，潮汐的涨落蕴藏着很可观的能量，潮汐能发电是从上世纪50年代才开始的，现已建成的最大的潮汐发电站是法国朗斯河口发电站，它的总装机容量为24万千瓦，年发电量5亿度。落差达14m我国从50年代末开始兴建了一批潮汐发电站，目前规模最大的是1974年建成的广东省顺德县甘竹滩发电站，装机容量为5000千瓦。据估计，我国仅长江口北支就能建80万千瓦潮汐电站，年发电量为23亿千瓦时，接近新安江和富春江水电站的发电总量；钱塘江口可建500万千瓦潮汐电站，年发电量约180多亿千瓦时，约相当于10个新安江水电站的发电能力。大海里有永不停息的波浪，据估算每一平方公里海面上波浪能的功率约为10x104至20x104千瓦。70年代末我国已开始在南海上使用以波浪能作能源的浮标航标灯。1974年日本建成的波浪能发电装置的功率达到100千瓦。许多国家目前都在积极地进行开发波浪能的研究工作。海流亦称洋流，它好比是海洋中的河流，有一定宽度、长度、深度和流速，一般宽度为几十到几百海里之间，长度可达数千海里，深度约几百米，流速通常为1一2海里/小时，最快的可达4—5海里/小时。太平洋上有一条名为“黑潮”的暖流，宽度在100海里左右，平均深度为400米，平均日流速30一80海里，它的流量为陆地上所有河流之总和的20倍。现在一些国家的海流发电的试验装置已在运行之中。（5）风能技术风是一种潜力很大的新能源，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为97.5m，重144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达1000万kw·h。根据美国能源部的统计至1990年美国风力发电已占总发电量的1%。在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，也根据各自国家的情况制定了相应的风力发电计划。如瑞典1990年风力机的装机容量已达350MW，年发电10亿kw·h。中国风力机的发展，在50年代末是各种木结构的布篷式风车，1959年仅江苏省就有木风车20多万台。到60年代中期主要是发展风力提水机。70年代中期以后风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。进入80年代中期以后，中国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风力发电机组。在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风力发电场。1992年装机容量已达8MW。新疆达坂城的风力发电场装机容量已达3300kw，是全国目前最大的风力发电场。至1990年底全国风力提水的灌溉面积已达2．58万亩。1997年新增风力发电10万kw。目前中国已研制出100多种不同型式、不同容量的风力发电机组，并初步形成了风力机产业。《全球风能展望2010》报告显示，目前，我国已成为全球最大的风电市场，也是全球最大的风力发电机组生产基地。截至2009年底，我国国内风能装机容量为2500万千瓦；2020年，国内风电装机容量将达到现在的10倍。二、太阳能的利用现状1、太阳能技术的发展历史1839年，法围科学家贝克雷尔(Bccquml)发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为“光生伏特效应”简称“光伏效应”。1954年，美国科学家在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域之，也是其中最受瞩目的项目之一，具有清洁、安全、普及等优点。随着科学进步，据国际能源署预测，到2020年，全球光伏发电量将占总发电量的2％。最近5年，美国、德国、西班牙、日本等许多国家都在鼓励发展包括太阳能光伏在内的可再生能源，光伏电池产量年平均增长率超过40％。我国已经成为全球第一大光伏电池生产国，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但将替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。到2l世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。2、国外太阳能光伏发电利用状况在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、德国和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早，在技术