太陽能技術的研究綜述

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(蘭州石化職業技術學院 應用化學工程學院，甘肅 蘭州 730060)

新能源技術是當今世界備受關注的五大技術領域之一，作為新能源的中堅力量-太陽能，它的研究和利用是新能源中相對研究技術較成熟的技術之一。地球上的能源大多數都來自于太陽，所以可以說太陽是人類能源的寶庫。目前生活中對太陽能的商業化利用主要有三種類型，但是由于太陽能的使用還有些沒有解決的問題，如成本高、功率小、太陽能轉化的效率還比較低等，所以導致太陽能的利用技術尚未達到成熟期。所以解決太陽能利用過程中存在的問題，將為人類能源的可持續發展提供保障[1]。

1 太陽能在我國的分布

太陽就是一個巨大的核能火爐，想要了解太陽能，就要先了解太陽的能量來源、結構、歷史及壽命，事實上太陽的能量來源于太陽內部的核聚變，也可以叫做太陽輻射能，是一種清潔能源，對環境毫無污染，但是能量卻十分巨大。在我國太陽能利用的前景十分廣闊，這是緣由我國部分地區蘊藏著十分豐富的太陽能資源[2]。

1.1 我國太陽能資源分布最豐富的地區

在我國太陽能資源分布最豐富的地區有甘肅、寧夏的北部，青海、西藏的西部，以及新疆的東部，在這些地區年太陽能的輻射總量可以達到6680～8400 MJ/m2。其中，西藏的西部太陽能資源最為豐富，僅僅少于撒哈拉大沙漠，在世界可以排第二位，日輻射量最高可以達到6.4 kWh/m2。

1.2 我國太陽能資源分布比較豐富的地區

在我國太陽能資源分布比較豐富的地區主要有要寧夏、新疆、內蒙古的南部，山西、河北的北部，青海的東部以及甘肅的中部，平均每年太陽輻射總量能夠達到5850～6680 MJ/m2。

1.3 我國太陽能資源分布量中等的地區

在我國太陽能資源分布量中等的地區，主要有新疆、山西、江蘇、安徽北部，山西、廣東、福建南部，河北、甘肅的東南部，這些地區的太陽能資源年輻射總量能夠達到5000～5850 MJ/m2。

2 太陽能的利用技術

根據已有的資料記載，人類發展史上對太陽能資源的利用歷史可以追溯到3000多年以前，但是在人類生產史上把太陽能資源當作能源和動力來利用卻只從300多年前開始[3]。

2.1 太陽能資源的熱利用

集熱器是太陽能熱利用技術利用的重點技術，因為太陽能輻射能量要依靠集熱器來進行采集，然后通過加熱集熱管中的介質將采集到的太能輻射能量轉換成可以直接利用的熱能，介質大多是水或者空氣。常見的集熱器有平板型集熱器和聚光型集熱器。對于最早實現商業化利用的平板集熱器，它可以采集太陽輻射能中的直射輻射和散射輻射，但它的缺點是集熱溫度相對比較低。而對于改進后的聚光集熱器能將陽光會聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但其只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽。是依靠集熱器對太陽能進行采集，通過加熱水或空氣將太陽能轉換成熱能[4]。目前國內對太陽能熱利用的方式主要有以下幾種：

1)通過使用集熱器采集太陽能，直接加熱水和空氣，直接為人類社會生活提供服務用水，還可以能為北方部分地區的住房提供供暖熱量，也可以通過換熱系統為部分地區的住房進行降溫。

2)通過使用集熱器，集中利用太陽輻射能，在農業生產的溫室和晾曬干燥設施中，為農業生產提供必需的熱能，這種利用方法可以使得農業生產設施少受天氣變化的干擾和影響；

3)通過使用集熱器采集太陽能輻射能量，然后用于發電系統，這樣可以減緩傳統能源發電的壓力。

2.2 太陽能的光電利用技術

太陽能的光電利用技術是將太陽輻射能不通過集熱器轉換，而是直接將其轉變成電能的一種發電方式。這其中包括了多種發電形式，最常見的又光伏發電技術和光感應發電技術。

光電效應是太陽能光伏發電技術的基本原理，要利用特殊的裝置把光直接轉換成電能，這個裝置就是光伏裝置，也叫太陽能電池。太陽能電池最關鍵的是要產生強大的內部電場，這就要靠各種具有不同電子特性的半導體材料薄膜制成的平展晶體來實現。當太陽光線照入晶體時，內部的電場會將光產生的電子分離，然后再太陽能電池的兩端(頂端和底端)之間形成電動勢。這個時候，連通電路，會產生直流電流。當光線進入晶體是，由光產生的電子被這些電場分離，在太陽電池的頂面和底面之間產生電動勢，此時，若用電路連通，就會產生直流電流[4]。

在我國太陽能光伏發電利用技術從70年代就開始了，但是真正實現商業化利用是在80年代，那時也是該技術迅速發展的年代。我國在1983年至1987年，這短短的5年內先后從發達國家，比如美國、加拿大等國家引進了七條太陽電池生產線。而近些年，我國的太陽能光伏發電利用技術主要應用于國防通信系統以及邊遠偏辟的國家電網尚未覆蓋到的無電地區[5]。

2.3 太陽能光-化學轉化利用技術

太陽能光-化學轉化利用技術主要通過可逆的化學反應來實現太陽能轉換成化學能的過程。在光化學發電中有電化學光伏電池、光電解電池和光催化電池。要了解光化學電池，首先要了解什么是光化學？光化學也是化學的一個分支，主要研究光和物質相互作用引起的化學反應。而光化學電池，就是利用光照射在半導體和電解液界面，催化促進電池的正負極發生電化學反應生成電，在電解液內形成電流，并使水電離直接產生氫的電池，這種太陽電池的正負極之間其實并沒有發生化學反應，只是光照射激發了電子和空穴的產生，經過外電路后，電子與空穴復合[6]。

3 我國太陽能資源開發利用技術中存在的主要問題

盡管太陽能資源有著眾多獨有的特點和優勢，但是開發利用技術卻仍然未到達成熟期，尤其是商業化的利用，這主要是因為太陽能的利用設備的成本較高。雖然近些年新材料新材料、新技術的出現必然會使得現有的太陽能利用設備的成本逐漸降低，利用效率逐漸增大，但是由于太陽能的使用還有些沒有解決的問題，如成本高、功率小、太陽能轉化的效率還比較低等，所以導致太陽能尚未得到充分的利用。

4 展望

太陽能作為一種綠色清潔、高效長久的新能源，在未來的利用前景十分廣闊，也是世界各國重點關注的能源領域，各國政府已經將太陽能資源的開發利用技術作為國家的可持續發展的重要戰略內容。在不久的未來，太陽能資源的集中開發利用技術無疑會使使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。