淺談新能源材料的應用現狀和發展前景

吳儀坤

摘 要：隨著社會的不斷發展，粗放型的傳統能源所帶來的環境污染問題越來越嚴重，同時傳統能源效率低下的問題一直得不到有效解決。在這樣的背景之下，新能源材料作為一種高效的清潔能源收集、轉化中介，對于緩和經濟發展與環境之間的矛盾，調整能源供需問題起到了重要作用。本文從新能源材料的應用現狀出發，分析新能源材料在當今社會的應用及存在的一些問題，并預測新能源材料的發展前景。

關鍵詞：新能源材料 環境污染 效率 未來發展

1 引言

新能源材料是指支撐新能源發展的，具有能量轉化和儲存的功能的材料或結構，目前主要應用在發電，動力等方面，得到廣泛應用，但也存在諸多問題。因此本文從新能源材料的應用現狀和發展前景出發，以期為新能源的研究發展提供參考。

2 新能源材料的應用現狀

2.1 光能的應用

光能對于人類來說并不陌生，地球上絕大部分能量除核能外都來太陽光能，當前主要使用的傳統能源的根本來源也是光能，可以說人類對于光能的使用自古有之。

當前對于光能的應用主要有幾個方面：一是光熱利用。其原理是用太陽能集熱器將太陽輻射能收集起來并將其轉化為熱能加以利用。有低溫利用和高溫利用兩種。太陽能熱水器是目前使用最為普遍的太陽能產品，是低溫利用的應用產品，它利用太陽輻射將水加熱，以供日常生活所用。太陽能熱水器的優點十分明顯，因為它是用太陽能作為能源進行加熱，所以相對于電加熱和燃氣熱水器更加節能環保，且少有其他的花費，同時也比較安全。在陽光充足的地方，太陽能熱水器是一個不錯的選擇。二是發電利用。從目前發展趨勢來看，未來太陽能的大規模利用是用來發電的。目前使用的主要有兩種，其一便是是光電轉換，也就是我們常說的太陽能電池，其原理是利用光生伏特效應將太陽輻射直接轉換為光能，太陽能發電在我國應用較為廣泛，如生活中常見的太陽能路燈和衛星的太陽能板等等。三是光化利用。原理是直接利用太陽能分解水制氫，我們最為熟悉的光化利用便是光合作用，植物靠葉綠素將光能轉化為化學能，制造了大量氧氣和有機物，如果能揭示光化轉換的奧秘，便可實現人造葉綠素發電，對我們人類來說意義重大。

2.2 風能的應用

風能是空氣流動所產生的動能，是一種可再生的清潔能源，儲量巨大，一年中技術可開發的能量約5.3X10^13千瓦時。且分布較為廣泛。

目前人類對于風能的應用主要集中于風力發電方面，其原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉速度提升，從而促使發電機發電。在我國，風能開發潛力巨大。我國地域遼闊，海岸線長，風力資源十分豐富，據統計，全國風能總量為3226GW，可供開發的陸上風能總量為253GW。特別在我國東南沿海及附近島嶼，有效風能密度在200～300w每平米以上，且風速大于3米每秒全年出現時間在7000h以上。我國風力發電始于上世紀80年代，發展相對滯后，但起點較高，截至2019年底，中國累計風電裝機容量為2.1億千瓦，同比增長14%，風力發電量占比達5%以上。當前風力發電在我國前景較好，有著國家的大力支持和地方政策的鼓勵。在污染問題突出的當下，風能作為一種清潔能源，有著不錯的未來發展。

2.3 熱能的應用

人類對于熱能的利用自古有之，在人類踏上食物鏈頂端的道路上，使用火可以說是邁出了一大步。當前人類對于熱能的應用可分為兩個方面。一是直接利用，也就是熱利用，將熱能直接用于加熱物體，如取暖，熔煉，烘干等。在還未進入電氣時代之前，人類對于熱能的應用一直都是熱利用，可以說沒有熱，就沒有人類，熱是人類賴以生存的根本。二是動力利用，通過各種熱動力裝置將熱能轉化為機械能或電能加以利用，為人類的日常生活提供動力。地熱能是熱能的一種形式，是當前較為熱門的熱能方面的利用。地熱能是由地殼抽取的天然熱能來自于地球內部的熔巖，是一種可再生的清潔能源。地熱能也可分為地熱發電和直接利用兩方面。地熱發電是地熱利用的最重要形式。地熱發電原理是將地熱能轉化為機械能，然后再把機械能轉化為電能。而直接利用就是利用地熱進行供暖等。我國地熱資源豐富，且起步探索不算晚，但近30年來進展緩慢。

3 新能源材料發展存在的問題

雖然新能源材料在我國發展迅猛，但也存在著不少問題。

3.1 使用環境要求苛刻

對于大多數新能源材料來說，使用環境要求苛刻一直是一個繞不開的問題。新能源材料現在發展緩慢，使用環境要求苛刻是一個主要原因。就以光能應用為例，太陽能具有分散性和不穩定性等缺點，到達地球的太陽能總量很大，但是能流密度卻很低，在北回歸線附近，即使是夏季天氣較為晴朗的情況下，全年日夜平均只有200w左右，更不要說冬季和陰天了;同時，由于收到晝夜，季節，天氣的條件的影響，到達地面的太陽能既是間斷的，又是不穩定的。在這種情況下，就要求太陽能的使用環境光照充足，氣候變化不大，且全年晴朗天氣較多。又如風能，雖然我國風能資源十分豐富，但能利用的地區不多，除東南沿海和新疆的少部分地區外，其他地區的風速很難達到風能發電的標準。而風力發電對于風力的要求又比較高，且風力發電需要大規模的場地來確保發電需要，因此使用環境同樣苛刻。

3.2 轉換效率比較低下，儲存方式單一，能量損耗高

在當前材料問題的限制之下，新能源材料的效率一直難以提高。同樣以太陽能為例，當前實際使用的太陽能相關產品，轉化效率在17%左右，這個效率雖然已經夠盈利了，但實際上仍然比較低，太陽能是一個巨大的寶庫，這樣的效率還不足以發揮其作用。更何況太陽能的使用環境苛刻，這樣的效率還不足以取代傳統能源的地位。而且新能源材料有一個較大的弊端，那就是當前新能源材料主要關注的是能量轉化的問題，而很少關注能量儲存的問題，這也是為什么在大力發展新能源材料的當下，傳統能源依舊占據主導地位的主要原因。新能源想要取代傳統能源，成為未來的主要能源，就必須與傳統能源類似，易于儲存，而不是只是轉化。就拿風能為例，一旦失去風，那么風能的一切都只是擺設。當前對于這些能源的儲存，大部分都只是通過電池進行儲存，儲存方式較為單一，且儲存效率不高。再如太陽能發電和風能發電都是間歇性的，難以調度，且極易受環境的影響，電網要求輸入穩定平滑，而風能發電和太陽能發電由于其間歇性，明顯不符合這個要求，輸入電網后帶來的安全隱患較大。同時，能量損耗高同樣是制約新能源材料發展的一個重要因素。

3.3 性價比不高

性價比不高同樣是新能源材料發展過程中一個較大的問題。新能源材料的性價比主要受幾個方面的制約。一是生產成本高。同樣以發電為例，2018年光伏發電平均成本已達到8.5美分每kwh，陸上風力發電成本已達到5.6美分每kwh，而燃煤發電的成本可達到3-5美分每kwh，火力發電相對可再生能源來說仍有優勢。二是研究投入大。當前新能源材料存在的最大問題便是難以尋找到一種應用性高的材料，這方面的投入巨大，同時當前制約新能源材料發展的重要因素同樣是材料，在材料方面想取得進展需要花費巨大的人力財力和物力。三是使用壽命短。當前市面上大多數新能源材料在使用一定時間后會出現效率下降的問題，同時因環境影響，大多數新能源材料的使用壽命都比較短。

4 新能源材料的發展前景

針對新能源材料存在的種種問題，我們可以窺探其未來的發展前景。

4.1 使用場景更為廣闊

當前新能源材料的使用環境普遍比較苛刻，因此實用性不高，那么我們可以從此處著手，拓寬其使用場景，以促進其發展。那么，如何拓寬其使用場景呢？首先，最重要的便是材料。如果可以通過改變其材料，使其對于環境的要求不再那么苛刻，那么使用場景也就不是過于狹隘。其次我認為可以通過多種新能源材料的整合，拓寬其使用場景。這一方面的典型實例便是海島風力與光伏發電組合使用。在海島上，晴天時無風，但光照充足，利于光伏發電，而陰天時無光照。但風力強勁，利于風力發電。通過這樣的方式，拓寬了風力發電和光伏發電的使用場景。

4.2 能量轉換效率更高

提高能量轉換效率是新能源材料發展最重要的同時最應該研究的方向，畢竟，能量轉換效率提高了，很多問題都可以迎刃而解。而提高能量轉換效率的最重要做法便是推動相關學科的進步。這一點需要國家的大力支持。技術的發展離不開科學的進步。技術是建在科學的前提上的，首先要掌握相關科學理論，才可能實現技術方面的進步。其次，我們可以通過提高能源收集方式來提高其能量轉換效率。正如當前大多數新能源材料的利用都是集中起來大規模利用，這是一種較為有效的能源收集方式。此外，我們還可以通過減少能量轉換時的損耗來提高其轉換效率。若新能源材料的能量轉換效率提高，那么新能源必將取代傳統能源的主導地位，則當前突出的環境污染問題與能源供需問題也將得到很好的解決。

4.3 新能源材料的經濟性適用性更強

新能源材料成本高，使用壽命長導致其經濟適用性不高。因此我們可以從這兩個方面入手提高其經濟性，而解決這兩個問題的關鍵同樣是材料。

近日，美國科學家取得了太陽能電池材料的新突破，成本低，可大量制備，就很好的解決了上面的一些問題。 由上，我們可以看出，材料是制約新能源材料發展的重要因素，而未來，新能源材料的發展，也必將以材料為核心。

5 結語

本文回顧了新能源材料的發展背景和應用現狀，并在此基礎上提出相關對策和展望。結合當今的社會背景和能源局勢，新能源材料依托于科技的不斷發展和人們對于綠色環保的持續重視，其發展方興未艾。但值得注意的是，新能源材料的發展并非那么一帆風順，需要國家和政府進行合理的引導和鼓勵，并要求企業加強人員和研發投入，不斷提升新能源材料的經濟性和實用性，為更好的利用新能源奠定基礎。

參考文獻：

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