太陽能綠色能源的應(yīng)用及其發(fā)展研究★

季秋玲 張 亮 吳 敵 郭 楷

(揚州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚州 225000)

0 引言

人們?nèi)粘Ｉ钏桦S著經(jīng)濟發(fā)展而變得越來越豐富。在我國主要是由煤炭等不可再生能源產(chǎn)電產(chǎn)熱，不可再生能源隨著高速發(fā)展而消耗迅速，因此可再生綠色能源的充分利用更加迫切。太陽能能源的普遍、無害、巨大和長久等特點受人們廣泛關(guān)注，通過太陽能性能轉(zhuǎn)化研究，研制出太陽能熱水器、太陽能電池、太陽能瓷磚和太陽能無線監(jiān)控等多種便民產(chǎn)品，讓我們的生活更加節(jié)能環(huán)保。

1 太陽能概述

1.1 太陽能由來

太陽中含有氫原子，它能將氫和氦熔合釋放核能，最后從太陽輻射能中產(chǎn)生太陽能。根據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計，即使太陽輻射到地球的能量只有總輻射能量的幾十億倍，但相對于人類而言，其每秒輻射的能量可達(dá)幾百萬噸煤。地球上絕大部分能源從根本上說來自于太陽，比方說遠(yuǎn)古時代埋藏在地下的動植物通過長期的地質(zhì)變化而儲存的能量如煤炭等，以及風(fēng)能、水能等。

1.2 太陽能發(fā)電

法國科學(xué)家貝克雷爾經(jīng)過探索，在1839年提出太陽光能夠在半導(dǎo)體材料的不同部分產(chǎn)生電位差的發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象被稱為“光生伏打效應(yīng)”或“光伏效應(yīng)”。百年后，在美國出現(xiàn)了光伏發(fā)電技術(shù)，原因在于科學(xué)家恰賓和皮爾松在貝爾實驗室率先研制出適用的單晶硅太陽能電池，如圖1所示。

1.3 太陽能供暖

太陽能供暖系統(tǒng)利用集熱器收集到的太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行能力供應(yīng)，見圖2。從實際來看，把水作為傳熱介質(zhì)和儲熱介質(zhì)，通過集熱器轉(zhuǎn)化而成的熱能，送入所需之地供暖的流程。主要組成部分有集熱器、儲熱水箱、連接管路、輔助熱源、散熱部件及控制系統(tǒng)。

在晴天狀態(tài)下，循環(huán)控制系統(tǒng)通過檢測集熱板的溫度與儲熱水箱相差定值時采用水泵進(jìn)行循環(huán)，將收集的熱量轉(zhuǎn)入高溫儲水箱加熱，并能夠儲存保溫，作為備用。在進(jìn)行供暖模式下，啟動時首先進(jìn)行安全檢查，當(dāng)檢測達(dá)標(biāo)后，熱能轉(zhuǎn)換器啟動會取熱水，當(dāng)熱水的熱量達(dá)到一定值以后，溫度傳感器會有反應(yīng)，從而啟動水泵進(jìn)行能量交換。熱水輸出的同時，冷水輸入，經(jīng)換熱后再輸出，當(dāng)系統(tǒng)檢測到高于設(shè)定值時，進(jìn)入待機狀態(tài)，低于設(shè)定值時再二次加熱，至此能夠保證即時提供設(shè)定溫度。

2 太陽能的作用及特點

2.1 太陽能的作用

2.1.1減小化石燃料使用

隨著科學(xué)經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的生活水平也大步提高，電量、熱量等需求也成為每個家庭必不可少的使用。據(jù)統(tǒng)計，中國是可再生能源全國第一投資大國，作為節(jié)能減排措施的一部分，到2020年，中國計劃實現(xiàn)太陽能發(fā)電110 GW，足夠滿足3 000萬戶家庭的電力需求。到2030年，中國計劃將非化石燃料在總?cè)剂鲜褂玫谋壤赡壳暗?3%提高到20%。報道稱，過去十年來，中國不斷加快減少對煤炭及其他化石燃料的使用，并不斷增加太陽能發(fā)電等清潔能源發(fā)電規(guī)模。

2.1.2減緩用電緊張

2010年下半年，為實現(xiàn)我國部分地區(qū)的節(jié)能減排目標(biāo)，電荒問題引起了國內(nèi)乃至國際的關(guān)注。電力緊張的影響正在擴大。在物價飛漲的現(xiàn)代，人們?nèi)招铦M足的高額用電量也花銷不少。所以加大電力和可再生資源的開發(fā)是解決用電緊張的主要途徑。太陽能瓷磚將其吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為部分有效電能，即可供小功率家電的使用，能有效減緩用電壓力，促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展。

2.1.3有效供熱

當(dāng)代太陽能熱技術(shù)利用收集太陽光，轉(zhuǎn)換能量使之產(chǎn)熱水、蒸汽和電。除此以外，建筑物在設(shè)計中加入有效裝置，也能達(dá)到采光收能的效果，譬如南面的巨型窗戶裝有能夠汲取太陽熱量的相關(guān)材料，也就是初步意義的太陽能瓷磚。

太陽能瓷磚將部分的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再利用熱能加熱水，供人們部分生活用水需求。在減少用電量的同時，還能減少等待時間，持續(xù)擁有熱水效果。這在時間嚴(yán)格管理的時代，自己的時間效率也能有效提高。

2.2 太陽能的特點

2.2.1普遍

太陽光充足，普遍，也很容易得到。它有直接獲得、收集、開發(fā)和使用的特點，此外不受地區(qū)的限制，海洋陸地還是山區(qū)盆地都可。與化石燃料相比，太陽能的這點特性節(jié)省大量的人力財力。例如，在煤礦使用前，必須開挖隧道，挖掘的深度的提高，其投資額也會直線上升;之后還需鐵路運輸，由于存在產(chǎn)地分布不均的問題，需要運輸工具將煤礦送到全國各地，這也曾經(jīng)占據(jù)了全國鐵路的1/3。而太陽能就不存在這樣的弊病。

2.2.2綠色

以往科技的發(fā)展大多數(shù)總是帶來環(huán)境污染，而太陽能能源的利用能夠安全衛(wèi)生，不存在污染環(huán)境的問題，也是最清潔的能源之一。當(dāng)前人們所運用的化石燃料如煤炭、石油等既污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境，又污染大氣水源，還同時對動植物的健康問題存在影響。而處理污染所需經(jīng)費也非常巨大，這對太陽能而言，絲毫沒有這樣的問題。

2.2.3能量巨大

雖然太陽輻射到達(dá)地球的能源相對于總的輻射能量非常微小，但對于人類而言已經(jīng)是巨大，直觀一點講，每秒照射到地球的能量相當(dāng)于燃燒500萬t煤，乘以36億t煤5 d一年的能量就大概是燃燒1 300億t煤，而每年可供人類使用的太陽輻射是第一顆原子彈爆炸的能量，也就是20 000 t的量，兩者相比，可見微乎其微。

2.2.4取之不盡

根據(jù)恒星演化理論，儲氫可以延續(xù)數(shù)百億年。雖然按照天文觀測結(jié)果，太陽系的存在時間相對于地球而言是恒久，換句話說太陽能是用之有余的。同時也不需要擔(dān)心和地球上的化石燃料會在幾百年內(nèi)完全耗盡。

3 太陽能的應(yīng)用

3.1 太陽能熱水器

太陽能熱水器是把光能有效轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，主要利用熱浮冷沉的原理循環(huán)，達(dá)到提供熱水的效果，滿足人們?nèi)粘Ｉ钏?。我國市場主要存在真空管太陽能熱水器和平板太陽能熱水器這兩種，用的比較多的還是真空管太陽能熱水器。

3.2 太陽房

太陽房有關(guān)概念最早是由美國提出的，采用各種有關(guān)材料如隔熱性能、儲存性能、透明性能、強度性能等和建筑物有效融合，最終達(dá)到建筑高效吸收太陽能的效果，有著節(jié)能且取暖的顯著特點。不管是國內(nèi)還是國外，都在不同程度地推行太陽房政策，不斷推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方向的進(jìn)程。

3.3 光伏產(chǎn)業(yè)

3.3.1國內(nèi)發(fā)展

漢能集團(tuán)研制了一種太陽能瓦片，稱為單玻漢瓦。本產(chǎn)品把柔性薄膜太陽能技術(shù)和高強度高透明玻璃應(yīng)用其中，使兩者有效融合。此外，采用C型卡槽結(jié)構(gòu)，使用三點受力結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有抗拉、抗風(fēng)、堅固、承受打擊性強等特質(zhì)。根據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1 m2漢瓦能夠產(chǎn)生最高80多瓦的功率，為構(gòu)建綠色經(jīng)濟貢獻(xiàn)一份力。

3.3.2國外發(fā)展

1)在日本，有公司革新了太陽能瓷磚，使之能夠在發(fā)電效率上大大提高。這類產(chǎn)品創(chuàng)新的主要方面是其生產(chǎn)工藝：事先由磷硅酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃為基材的涂層劑涂在坯體表面，然后復(fù)合多層有機硅層、氧化錫或氧化銅透明導(dǎo)電膜和防反射保護(hù)膜，同時設(shè)立如導(dǎo)線可以和導(dǎo)電膜連接的裝置。這種瓷磚還能應(yīng)用于建筑物的外墻面和屋頂是因為無釉層的特點。

2)丹麥的一所國際學(xué)校的新校區(qū)在外墻面和屋頂安裝一萬多塊的彩色光伏瓷磚。本產(chǎn)品是經(jīng)過多年的探索改良，由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院成功研制，其特點在于顏色是某種特殊的過濾器產(chǎn)生的效果。據(jù)統(tǒng)計，該技術(shù)每年可以發(fā)電30萬kWh，能達(dá)學(xué)校大半的用電需求，有效緩解用電緊張。

太陽能的具體應(yīng)用見圖3，圖4。

4 結(jié)語

人類社會快速發(fā)展，能源問題亟待解決，太陽能能源作為新興能源具有強大的生命力，科技的發(fā)展使太陽能的利用形式變得多種多樣，利用的效率也在不斷的提高，當(dāng)今社會能源需求量巨大，而傳統(tǒng)的不可再生能源卻越來越少，太陽能已經(jīng)成為一種不可或缺的能源形式。

隨著節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念深入人心，人們越來越認(rèn)可太陽能能源，太陽能能源也剛好契合環(huán)保發(fā)展的社會理念，雖然在技術(shù)和應(yīng)用方面還不盡如人意，仍有方方面面的問題，但是太陽具有其他能源不可替代的優(yōu)越性，未來能源領(lǐng)域，太陽能能源的采集、轉(zhuǎn)換、利用的效率也將隨著科技的進(jìn)步而提升，太陽能能源也必將在家庭和工業(yè)的各個領(lǐng)域占有重要的一席之地。