搜索
我国太阳能的利用及其发展前景摘要：能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长，但是化石能源是不可再生的，所以，在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。本文旨在介绍我国太阳能发展的现状及其发展方向。关键词：太阳能；清洁能源；化石能源；光伏发电；光热转换0引言全球能源形势日益紧张，因石油、煤类过度使用而造成的全球气候变暖，严重威胁社会经济发展和人民生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展。太阳能具有清洁、方便、经济、安全、环保，取之不尽、用之不竭等优势，成为今后能源关注的重点。1.太阳能的原理现在，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。地球轨珠海太阳能热水工程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。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。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，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。。2太阳能的利用就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。2.1太阳能集热器太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需。太阳能集热器(solarcollector)在太阳能热系统中，接受太阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型集热器和吸热型集热器两种。另外还有一种真空集热器:一个好的太阳能集热器应该能用20～30年。自从大约1980年以来所制作的集热器更应维持40～50年且很少进行维修。2.2太阳能热水系统早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：2.2.1自然循环式:此种型式的储存箱置于收集器上方。水在收集器中接受太阳辐射的加热，温度上升，造成收集器及储水箱中水温不同而产生密度差，因此引起浮力，此一热虹吸现像，促使水在除水箱及收集器中自然流动。由与密度差的关系，水流量于收集器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。2.2．2强制循环式:热水系统用水使水在收集器与储水箱之间循环。当收集器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置将启动水使水流动。水入口处设有止回阀以防止夜间水由收集器逆流，引起热损失。由此种型式的热水系统的流量可得知（因来自水的流量可知），容易预测性能，亦可推算于若干时间内的加热水量。如在同样设计条件下，其较自然循环方式具有可以获得较高水温的长处，但因其必须利用水，故有水电力、维护（如漏水等）以及控制装置时动时停，容易损坏水等问题存在。因此，除大型热水系统或需要较高水温的情形，才选择强制循环式，一般大多用自然循环式热水器。2.2.3暖房利用太阳能作房间冬天暖房之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，设法应用太阳辐射热。大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统。太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统所组成，其过程乃太阳辐射热传导，经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间。至辅助热源则可装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计。当然亦可不用储热双置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，再加热房间，或透过冷暖房的热装置方式供作暖房使用。最常用的暖房系统为太阳能热水装置，其将热水通至储热装置之中（固体、液体或相变化的储热系统），然后利用风扇将室内或室外空气驱动至此储热装置中吸热，再把此热空气传送至室内；或利用另一种液体流至储热装置中吸热，当热流体流至室内，在利用风扇吹送被加热空气至室内，而达到暖房效果。2.3太阳能热发电太阳能热发电是采用聚焦技术，将数平米甚至数千平米范围上的阳光集中到一条线状或点状，由于高温将介质加热并产生蒸汽，从而推动汽轮机工作并产生电力的过程。这个太阳能光伏发电是两种不同的太阳能发电形式。目前，太阳能热发电通常有三种形式，槽式，塔式和碟式。其中槽式是公认的最经济最成熟的技术。在美国，槽式太阳能热发电站已进入商业化运行阶段。在我国，目前进展较快的是由德州华园新能源应用技术研究所掌握核心技术参与的，位于新疆地区的，我国首座CSP槽式太阳能示范电站已经一次性试车成功，标志着国产化技术和设备已经达到了热发电的要求，并将进入产业化发展。这些国内外项目的成功实施，也必将为我国其它地区实施太阳能热发电站提供经验，为我国更多更快建设太阳能热发电站作出贡献。2.4太阳能离网发电系统太阳能离网发电系统包括1、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。太阳能离网发电系统主要产品分类A、光伏组件B、风机C、控制器D、蓄电池组E、逆变器F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。2.5空间太阳能电源第一个空间太阳电池载于1958年发射的VangtuardI，体装式结构，单晶Si衬底，效率约10%（28℃）。到了1970年代，人们改善了电池结构，采用BSF、光刻技术及更好减反射膜等技术，使电池的效率增加到14%。在70年代和80年代，地面太阳电池大约每5.5年全球产量翻番；而空间太阳电池在空间环境下的性能，如抗辐射性能等得到了较大改善。由于80年代太阳电池的理论得到迅速发展，极大地促进了地面和空间太阳电池性能的改善。到了90年代，薄膜电池和Ⅲ-Ⅴ电池的研究发展很快，而且聚光阵结构也变得更经济，空间太阳电池市场竞争十分激烈。在继续研究更高性能的太阳电池，主要有两种途径：研究聚光电池和多带隙电池。3我国太阳能的发展现状目前，我国利用太阳能的方式大多都是太阳能光热转换和光电转换两大种类，例如，太阳热水器、太阳灶、太阳房、太阳能干燥、太阳能温室、太阳能制冷与空调、太阳能发电及光伏发电系统等。3.1太阳能光热转换太阳能光热转换是指将太阳光直接或通过聚光照射于集热器上，使光能直接转化为热能。目前主要用于太阳能热水器和太阳热能发电。3.1.1我国太阳能光热转换成就在光热转换方面，截至2007年底，中国太阳能热水器产量达2300万平方米，总保有量达1.08亿平方米，占世界的55％，成为全球太阳能热水器生产和使用第一大国，且拥有完全自主知识产权，技术居国际领先水平。这种迹象表明，我国正在向太阳能时代迈进！为了促进太阳能热水系统的推广应用，国家制定的可再生能源发展规划明确提出了太阳能热水系统发展目标，2010年太阳能热水系统运行保有量要达到1．5亿平方米，2020年要达到3亿平方米。[3]表1中国太阳能辐射量分布分类辐射量分布一类地区6680-8400MJ/m2宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等二类地区5850-6680MJ/m2河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等三类地区5000-5850MJ/m2山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等四类地区4200-5000MJ/m2湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等五类地区3350-4200MJ/m2四川、贵州两省3.1.2太阳能光热转换存在的问题但是，太阳能热水器的发展也存在诸多问题。大部分的使用为用户自发行为，其系统的安装基本上没有经过设计，完全由产品供应商负责处理，结果是各自为阵，杂乱无章，在影响建筑外观的同时存在各种不安全隐患。由于上述原因，大面积推广受到严重阻碍，有些城市甚至由政府出面禁止在建筑物上安装。我国太阳能利用长期处于较低水平，制约了发展，不规范安装破坏了建筑结构和功能，对防水和承重等问题留下隐患，屋顶所有权存在争议，后期物业管理，维护也很不方便，自行安装的不规范，造成防风与避雷等安全隐患很多。3.2太阳能光电转换太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体的光伏效应原理进行光电转换，通常叫做“光生伏打效应”，太阳电池就是利用这种效应制成的。在光电转换方面，我们人类大多采用3.2.1我国太阳能光电转换方面的优点1.改善环境通过使用新能源来替代化石能源，可以减少因燃烧化石能源而造成的二氧化碳和烟尘排放量，给环境造成的损失。光复发电不产生传统发电技术带来的污染物排放和安全问题，没有废弃或噪音污染。2.节省空间光复发电是一种简单的低风险技术，集合可以安装在任何有光的地方。这意味着在公共、私人和工业建筑的屋顶和墙面上都有广泛的安装潜力。在运行中，这个系统还可以降低建筑的受热，增加通风。光复还可以作为隔声板装在公路两侧。光复在提供大量电力供应的同时，避免占用更多的土地。3.增加就业光伏发电能够提供重要的就业机会。安装阶段创造大量的就业产生在（安装工人、零售商和服务工程师），租金地方经济发展。根据欧洲光伏发电行业信息显示，生产每兆瓦光伏产品大约产生10个就业机会，安装每兆瓦光伏系统创造大约33个就业机会。批发和间接供应可提供3-4个就业岗位，研究领域提供1-2个就业机会。所以在整个产业链中可提供50个就业机会。在未来几十年，随着规模的扩大，自动设备的使用，这些数据会有所降低。但是，光伏发电产业不仅仅是一个资金密集型产业，同时也是一个劳动密集型产业。目前我过光伏技术及产业的就业总人数近万。到2020年将达到10万人左右。按照中或电力专家的研究，2050年，