太陽能的開發(fā)和應用

王彪

摘 要：能源是人類社會活動的物質基礎。新能源的開發(fā)利用是人類的共識。太陽能是一種清潔的自然再生能源，取之不盡，用之不竭。開發(fā)和利用太陽能，既不會出現(xiàn)大氣的污染，也不會影響自然界的生態(tài)平衡，而且只要陽光所及的地方，都有太陽能可以利用，太陽能以其長久性、再生性、無污染等優(yōu)點備受人們的青睞。與此同時，在當今世界，常規(guī)能源逐漸減少，而世界人口卻逐年增長，科學技術迅速發(fā)展，在不久的將來，現(xiàn)有的能源轉換系統(tǒng)將不可避免地會發(fā)生巨大變革，無疑會利用一些新能源，而太陽能就會起到重要作用。可以預見，在21世紀，太陽能將會成為較為重要的動力源。開發(fā)利用太陽能是人類社會長期追求的目標。而本文將介紹一下太陽能的特點、發(fā)展歷史及當前的發(fā)展狀況，討論太陽能利用的發(fā)展趨勢及其前景，還有關于太陽能的利用和它的發(fā)展將會給人類的生產、生活和社會發(fā)展帶來的意義。

關鍵詞：太陽能；開發(fā)利用；發(fā)展前景

一、引言

新能源是21世紀世界經濟發(fā)展中最具決定力的五大技術領域之一。隨著世界經濟的快速發(fā)展，對能源需求逐年增長，而地球上以石油和煤為主的礦物資源日漸枯竭，能源已成為制約各國經濟發(fā)展的瓶頸。同時，隨著化石燃料的燃燒，所產生的二氧化碳在大氣中的濃度急劇增加，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，使地球逐漸變暖。隨著人類社會的發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境的呼聲越來越高，開發(fā)利用無污染的新能源，對促進社會文明與進步，發(fā)展經濟，改善人民生活具有重大的意義。太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，在日常生活中受到了各國政府的重視，各國都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。

二、太陽能發(fā)展歷史

據(jù)記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。而將太陽能作為一種能源和動力加以利用卻只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”、“未來能源結構的基礎”，則是近來的事。20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門？德？考克斯在世界上發(fā)明第一臺太陽能驅動的發(fā)動機算起。這是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機器。在1615年～1900年之間，世界上又研制成多臺太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。

三、太陽能特點

第一，總量巨大。到達地球大氣外層的太陽輻照總強度約為174000tw，其中約30%被大氣層反射回外太空，其余到達地表的能量被大氣、陸地、海水、植被等吸收，約為每年3.8×1024j，這相當于全世界2009年全部能源消耗（4.7×1020j）的8000倍，也就是說地球表面一小時接收的太陽能足夠人類一年使用。若排除海洋、森林、冰川等地區(qū)，僅計算適于利用太陽能的陸地面積，大約有600tw的太陽能資源可用，即每年1.9×1022j，總量上滿足世界能源需求全無問題。而其他形式的可再生能源及核能的豐度遠不及太陽能，均無法單獨依靠自身滿足能源需求缺口。第二，清潔無排放。獲取和利用太陽能的過程本身不會產生任何污染物的排放，也不會留下殘余物。第三，取之不盡，用之不竭。太陽能來自于太陽內氫元素聚變?yōu)楹ぴ氐臒岷朔磻Ｌ柕馁|量約為2×1030kg（是地球質量的33萬倍），其中約3/4為氫元素，根據(jù)目前太陽熱核反應速率，每秒有6.57×1011kg的氫聚合生成6.53×1011kg的氦，那么氫的儲量足夠維持超過200億年，而地球的壽命估計為50億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是取之不盡，用之不竭的。第五，能量密度低。雖然太陽能總量豐富，但輻射強度低，到達地球大氣層上沿的太陽輻射強度約為1400w/㎡，經過大氣層后，地表平均的峰值日照強度僅為1000w/㎡。因此利用太陽能發(fā)電相對占地比較大，目前即使采用效率較高的晶體硅太陽能組件，僅建設裝機容量1萬千瓦的太陽能電站平均占地達

250～300畝（1畝=666.67m2，下同）。而一座200萬千瓦的火電站占地約4200畝，平均每萬千瓦占地2l畝。一座1200萬千瓦裝機容量的核電站占地約12000畝，平均每萬千瓦占地10畝。

四、太陽能發(fā)展趨勢及其前景

太陽能的眾多獨特優(yōu)勢決定了其廣闊的發(fā)展前景。從理論上來說，在未來社會，現(xiàn)有的太陽能利用方式將會得到進一步發(fā)展，新材料、新技術的出現(xiàn)必然會使得太陽能利用設備效率高且成本低，而到時研究新的利用方式，全面利用太陽能將會是重點。至本世紀中葉，世界范圍內的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用，隨著越來越多國家的政府和有識之士的重視，太陽能的利用技術也有望在短期內獲得較大進展。

太陽能電池材料一般的要求有：1）半導體材料的禁帶不能太寬；2）要有較高的光電轉換效率；3）材料本身對環(huán)境不造成污染；4）材料便于工業(yè)化生產且性能穩(wěn)定。基于以上幾個方面的考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷出現(xiàn)和相關技術的發(fā)展，以其他材料為基礎的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

參考文獻：

[1] 世界能源理事會《新的可再生能源.未來發(fā)展指南》海洋出版社 1998

[2] 王榮光、沈天行《可再生能源利用與建筑節(jié)能》機械工業(yè)出版社 2004