淺談太陽能的利用

摘要：作為新興的綠色能源太陽能，可以用來發電，進行太陽熱的收集利用，還可以應用在諸多的領域里，“金色能源”—太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的一種能源。文章提出加大開發利用太陽能，符合了科學發展觀的基本要求，符合了能源緊缺、環境污染這一嚴峻的當今社會需要，并介紹了幾種太陽能的利用方法。

關鍵詞：太陽能發電；太陽熱利用；平板式太陽集熱器；真空管式集熱器；聚光燈式集熱器

中圖分類號：S214 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0096-02

1 概述

2013年國際能源戰略智庫峰會指出：“全球氣候變化、國際金融危機、歐洲主權債務危機、地緣政治等因素對國際能源形勢產生重要影響，世界能源市場更加復雜多變，不穩定性和不確定性進一步增加。國內因素與國際因素互相影響，資源和環境約束進一步加劇，節能減排形勢嚴峻。”

作為新興的綠色能源太陽能，可以用來發電，進行太陽熱的收集利用，還可以應用的諸多的領域里，金色能源太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的一種能源，加大它的開發利用，符合了科學發展觀的基本要求，符合了能源緊缺，環境污染這一嚴峻的當今社會需要。太陽能熱水器作為實用化技術被廣泛應用。在較高的數百攝氏度以上高溫領域的利用，雖然說在技術上需要有高級的集光型太陽能集熱器，但是應用熱裝置進行發電的太陽能發電等新興技術也已經成為可能。具有數千倍集光度的太陽爐甚至能夠獲得3000℃以上的高溫。

2 “金色能源”——太陽能電池發電原理

可再生能源的基本源泉是太陽和月亮，太陽能的利用可以分為直接方式和間接方式。直接方式包括太陽能熱水器、太陽能電池等；間接方式有通過水循環進行的水力發電，風循環進行的風力發電，還有利用受惠于太陽光生長的植物進行的生物質能發電和生物酒精制造等。另外，還有利用月球引力所引起的潮位變化來進行的潮汐發電和利用地球內部巖漿產生的熱能進行的地熱發電等。

2.1 太陽能的利用方法

包括太陽光和太陽熱的利用，利用半導體的光電效應將太陽能轉化為電能的元件被稱為太陽能電池。利用太陽能發電主要有如下優勢：（1）太陽能具有取用不竭的特征，且為綠色清潔的特性；（2）太陽能發電沒有可轉動的部件，是無公害發電；（3）在陰天情況下依靠散射光一樣可以發電，即使遭遇災害天氣時仍然有希望能夠確保供應。保養容易，可以實現自動化、無人化；（4）太陽能電池使用壽命可以長達20年以上；（5）制造太陽能電池的主要材料是硅，而硅是世界上含量僅次于氧的元素，總量位于世界第二，資源量非常可觀。

2.2 太陽能的發電原理

太陽能電池就是利用晶體管及集成電路中使用的代表性元素硅的半導體材料，經過光照射產生電流的性質（即光電效應）實現發電的一種技術。光照射N型半導體會產生帶有負電荷的電子，而P型半導體則會產生帶有正電荷的空穴（電子脫離留下的孔），這樣P型和N型半導體結合在一起時就會在接觸面形成電勢差，由于存在電勢差，電子從P結移向N結，空穴則正好相反，從N結移向P結，并聚集在兩側的電極上。當外部電路接通時，將會有電流流過產生電力。

照射在地球表面的太陽光，在穿過大氣層的時候，部分能量被大氣層中存在的氮氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳等氣體分子吸收，使到達地球表面的太陽光能量密度比大氣層外的p值小。太陽光穿透空氣的量稱為AM，所以在大氣圈外是AM-0，從天空垂直入射是AM-1，在中緯度地帶（赤道區域），考慮到太陽光要穿透大氣層的1.5倍，所以稱為AM1.5，AM-1.5的太陽光能量密度大約是1kw/m。如果太陽能電池的轉換效率是100%的話，光照射在1m2面積上就可以獲得1kW的電能。而家庭中實際使用的太陽能電池轉換效率是10%～20%，所以一塊邊長為1m的正方形太陽能電池板上可以獲得的太陽能是100～200W。

由上面計算所得，每秒鐘照射到1m地球上的太陽能是1.37kJ，假設地球半徑是6.378×106m，那么地球表面的投影面積S為：S=π×（6.378×106m）=1.28×104m。地球上1s接收的太陽光能量E為：E=1.37kJ/m2×1.28×104m=1.75×104kJ，將這個值乘以一年的時間，1t=365×24×3600s=3.1536×107s，相當于獲得了5.52×1021J的能量。這其中有大約30%的能量被云層以及大氣層反射到宇宙中，所以實際上地球表面上接收的能量是3.86×1021J。如果將這個值換算成石油當量的話，1t石油=41.9GJ=4.19×107J，則每年地球表面上獲得的太陽能相當于9.22×10t（約1000億噸）石油燃燒產生的熱量，這些能量中的一部分將轉化成水循環形成降水，人們利用這些進行水利發電。太陽會引起大氣循環，人們利用這些空氣的流動進行風力

發電。

2007年，全世界一年共消耗了相當于117億噸石油的化石燃料（煤和石油），而這些化石燃料都是幾億年前生物接收太陽光后生長，進化形成的化石，是太古時代儲存至今的太陽能。

如果人類繼續以現在同樣方式消耗能源的話，2030年時，每年預計消耗的能量相當于171億噸石油燃燒產生的能量，即使是這樣大的消耗也遠遠小于我們每年所接收的太陽能，所以加大太陽能電池的開發利用是很有必要的。

3 “金色能源”——太陽熱利用的原理

把太陽能作為熱能利用在技術上是比較容易實現的。特別是100℃以下的低溫領域的應用，太陽能熱水器作為實用化技術被廣泛應用。

太陽熱發電系統的構成和目前以天然氣為燃料的火力發電系統基本一樣，不同之處是在于蒸汽的發生，天然氣火力發電的燃料熱是通過鍋爐，太陽能發電則是采用了集熱器或者稱為集熱循環的裝置來收集熱。

下面，筆者介紹幾種常見的集熱器：

3.1 平板式太陽能集熱器

平板式太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向工質傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器，集熱器中的工質與遠距離的太陽進行熱交換。平板式太陽能集熱器運行可靠，成本低廉，熱流密度較低，即工質的溫度也較低，安全可靠，承壓能力強，吸熱面積大。

3.2 真空管式集熱器

通常所指的真空管式集熱器為利用玻璃-金屬封接在真空狀態下的熱管，并通過熱管傳遞熱量的管狀太陽能集熱器件。

由于平板式熱水器的玻璃蓋和集熱部件之間存在空氣層，對流損失大，超過了100℃的高溫集熱比較困難，而完全消除對流損失的方法就是把這部分空間做成真空。這種集熱器幾乎沒有對流、傳導的熱損失，假如再采用高性能的選擇吸收面，可以大幅度減少熱輻射損失，因此可以實現太陽能制冷等高溫條件的高效集熱。

3.3 聚光燈式集熱器

太陽爐是各式樣的聚光燈式集熱器中最常耳聞的。采用高精度的旋轉拋物面鏡作為聚光燈式集熱裝置被稱為“太陽爐”，由于可以很容易達到數千攝氏度的高溫，很久以前就被用來進行高溫的物性等研究。在日本，太陽爐最早是在名古屋工業技術實驗所建成的，其后在日本東北大學建設的大型太陽爐的溫度可接近4000K。全世界最有名的太陽爐是位于法國比利牛斯山脈奧迪溫市國家科學研究中心太陽能研究所的直徑為54m的大型太陽爐。

目前，太陽能的利用主要集中在太陽能電池和太陽熱兩個方面，利用其原理的衍生高科技產品類型豐富：太陽能汽車、太陽能水泵、太陽能沼氣、被動式太陽房、太陽灶、太陽路燈等等，不勝枚舉。

作者簡介：夏立榮（1970-），女，湖南衡東人，湖南省衡東縣環境保護局工程師，研究方向：環境保護 。endprint