太陽(yáng)能在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活中的應(yīng)用1

太陽(yáng)能在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活中的應(yīng)用劉國(guó)強(qiáng)〔武漢理工大學(xué)430063〕【摘要】本文以太陽(yáng)能為研究對(duì)象對(duì)于太能的開展歷史，太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換與利用，太陽(yáng)能的特點(diǎn)及其利用方式，太陽(yáng)能光一熱轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能制冷與空調(diào)系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能制氫等一系列關(guān)于太陽(yáng)能在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活中的應(yīng)用給予比較全面而細(xì)致的介紹和研究。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換利用太陽(yáng)能發(fā)電光—熱轉(zhuǎn)換能量?jī)?chǔ)存太陽(yáng)能電池SolarEnergyInEconomicConstructionAndLifeApplicationLiuguoqiang(WuhanUniversityofTechnology 430063〕太陽(yáng)能〔SolarEnergy〕，一般是指太陽(yáng)光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽(yáng)提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽(yáng)光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽(yáng)能進(jìn)一步開展。太陽(yáng)能的利用有被動(dòng)式利用〔光熱轉(zhuǎn)換〕和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽(yáng)能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢(shì)能等等。一:太陽(yáng)能簡(jiǎn)介太陽(yáng)能是一種干凈的可再生的新能源，越來(lái)越受到人們的親睞，在人們生活、工作中有廣泛的作用，其中之一就是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，太陽(yáng)能電池就是利用太陽(yáng)能工作的。而太陽(yáng)能熱電站的工作原理那么是利用會(huì)聚的太陽(yáng)光，把水燒至沸騰變成水蒸氣，然后用來(lái)發(fā)電。太陽(yáng)能的能源是來(lái)自地球外部天體的能源〔主要是太陽(yáng)能〕，是太陽(yáng)中的氫原子核在超高溫時(shí)聚變釋放的巨大能量，人類所需能量的絕大局部都直接或間接地來(lái)自太陽(yáng)。我們生活所需的煤炭、石油、天然氣等化石燃料都是因?yàn)楦鞣N植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來(lái)后，再由埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。二：太陽(yáng)能發(fā)電的綜述及在日常生活中的作用太陽(yáng)能發(fā)電類型.利用太陽(yáng)能發(fā)電有兩大類型，一類是太陽(yáng)光發(fā)電〔亦稱太陽(yáng)能光發(fā)電〕，另一類是太陽(yáng)熱發(fā)電〔亦稱太陽(yáng)能熱發(fā)電〕。太陽(yáng)能光發(fā)電是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式，在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池、光電解電池和光催化電池。太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式。一種是將太陽(yáng)熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。另一種方式是將太陽(yáng)熱能通過(guò)熱機(jī)〔如汽輪機(jī)〕帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過(guò)是其熱能不是來(lái)自燃料，而是來(lái)自太陽(yáng)能。太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)照射在地球上的太陽(yáng)能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以供全球人類一年能量的消費(fèi)。可以說(shuō)，太陽(yáng)能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源。從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈〔無(wú)公害〕；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。缺乏之處是：①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積；②獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)。但總的說(shuō)來(lái)，瑕不掩瑜，作為新能源，太陽(yáng)能具有極大優(yōu)點(diǎn)，因此受到世界各國(guó)的重視。要使太陽(yáng)能發(fā)電真正到達(dá)實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低其本錢，二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。目前，太陽(yáng)能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽(yáng)能電池變換效率最高，已達(dá)20%以上，但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽(yáng)電池變換效率最低，但價(jià)格最廉價(jià)，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率到達(dá)10%，每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到1－2美元時(shí)，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。估計(jì)本世紀(jì)末便可到達(dá)這一水平。當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽(yáng)電池效率要高得多，如美國(guó)波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽(yáng)電池，光電變換效率可達(dá)36%，快趕上了燃煤發(fā)電的效率。但由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。太陽(yáng)能發(fā)電的結(jié)構(gòu)和工作原理太陽(yáng)能發(fā)電是利用電池組件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽(yáng)能電池組件(Solarcells)是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣闊的無(wú)電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些興旺國(guó)家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。目前從民用的角度，在國(guó)外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑(照明)一體化"技術(shù)，而國(guó)內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無(wú)電地區(qū)家庭照明用的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)?！惨弧彻夥l(fā)電原理太陽(yáng)能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。通常說(shuō)的太陽(yáng)能發(fā)電指的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，簡(jiǎn)稱“光電〞。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源無(wú)處不在。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最根本元件是太陽(yáng)能電池〔片〕，有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。其中，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。中國(guó)國(guó)產(chǎn)晶體硅電池效率在10至13％左右，國(guó)際上同類產(chǎn)品效率約12至14％。由一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池。。此圖為太陽(yáng)能發(fā)電原理圖太陽(yáng)能發(fā)電在日常生活中的應(yīng)用隨著我國(guó)技術(shù)的開展，在2006年，中國(guó)有三家企業(yè)進(jìn)入了全球前十名，標(biāo)志著中國(guó)將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽(yáng)能光伏的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供給和價(jià)格的上漲，我們需要將技術(shù)推廣的同時(shí)，必須采用新的技術(shù)，以便大幅度降低本錢，為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)開展提供原動(dòng)力！太陽(yáng)能的使用主要分為幾個(gè)方面：家庭用小型太陽(yáng)能發(fā)電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽(yáng)能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等，現(xiàn)在主要的應(yīng)用方式為建筑一體化和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。世界目前已有近200家公司生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，但生產(chǎn)設(shè)備廠主要在日企之手。前不久，獲全國(guó)人大表決通過(guò)的《可再生能源法》規(guī)定，房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)應(yīng)當(dāng)“在建筑物的設(shè)計(jì)和施工中，為太陽(yáng)能利用提供必備條件〞。這將使今后城市太陽(yáng)能普及利用更加“理直氣壯〞。在一些新建建筑中，目前正在建設(shè)的首都博物館就用了3000平方米的太陽(yáng)能光伏板，以利用太陽(yáng)能發(fā)電，據(jù)測(cè)算，投入使用后，根本能解決該館的用電問(wèn)題。三：太陽(yáng)能電池的綜述及在日常生活中的應(yīng)用〔1〕綜述太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池那么還處于萌芽階段?！?〕太陽(yáng)能電池的原理：太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，光生空穴由n區(qū)流向p區(qū)，光生電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式光—熱—電轉(zhuǎn)換〔1〕光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過(guò)程是光—熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一個(gè)過(guò)程是熱—電轉(zhuǎn)換過(guò)程，與普通的火力發(fā)電一樣.太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而本錢很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍.一座1000MW的太陽(yáng)能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競(jìng)爭(zhēng)。光—電直接轉(zhuǎn)換〔2〕光—電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的根本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽(yáng)能電池可以大中小并舉，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽(yáng)能電池組，這是其它電源無(wú)法比較的〔3〕在日常生活中的應(yīng)用太陽(yáng)能電池主要就是用來(lái)發(fā)電。目前,太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已參軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在遙遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的本錢還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬(wàn)美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的改良以及新的光—電轉(zhuǎn)換裝置的創(chuàng)造，各國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽(yáng)能電池仍將是利用太陽(yáng)輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來(lái)大規(guī)模地利用太陽(yáng)能開辟?gòu)V闊的前景?，F(xiàn)在太陽(yáng)能電池主要分為硅太陽(yáng)能電池，多晶體薄膜電池，有機(jī)聚合物電池，納米晶電池，有機(jī)薄膜電池，染料敏化電池，塑料電池等。四：太陽(yáng)能在其他方面的應(yīng)用〔1〕太陽(yáng)熱能利用現(xiàn)代的太陽(yáng)熱能科技將陽(yáng)光聚合，并運(yùn)用其能量產(chǎn)生熱水、蒸氣和電力。除了運(yùn)用適當(dāng)?shù)目萍紒?lái)收集太陽(yáng)能外，建筑物亦可利用太陽(yáng)的光和熱能，方法是在設(shè)計(jì)時(shí)參加適宜的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽(yáng)熱力的建筑材料。它的根本原理是將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，通過(guò)與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。目前使用最多的太陽(yáng)能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器、陶瓷太陽(yáng)能集熱器和聚焦集熱器等4種。通常根據(jù)所能到達(dá)的溫度和用途的不同，而把太陽(yáng)能光熱利用分為低溫利用〔<200℃〕、中溫利用〔200～800℃〕和高溫利用〔>800℃〕。目前低溫利用主要有太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能枯燥器、太陽(yáng)能蒸餾器、太陽(yáng)房、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能空調(diào)制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽(yáng)爐等?！?〕光化利用這是一種利用太陽(yáng)輻射能直接分解水制氫的光—化學(xué)轉(zhuǎn)換方式。它包括光合作用、光電化學(xué)作用、光敏化學(xué)作用及光分解反響。光化轉(zhuǎn)換就是因吸收光輻射導(dǎo)致化學(xué)反響而轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過(guò)程。其根本形式有植物的光合作用和利用物質(zhì)化學(xué)變化貯存太陽(yáng)能的光化反響。植物靠葉綠素把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)自身的生長(zhǎng)與繁衍，假設(shè)能揭示光化轉(zhuǎn)換的奧秘，便可實(shí)現(xiàn)人造葉綠素發(fā)電。目前，太陽(yáng)能光化轉(zhuǎn)換正在積極探索、研究中。〔3〕太陽(yáng)能無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)隨著現(xiàn)代化企業(yè)制度在我國(guó)的普及和深化開展，企業(yè)的信息化建設(shè)不斷深入.結(jié)合太陽(yáng)能技術(shù)的開展，出現(xiàn)真正的Winncam零布線無(wú)線監(jiān)控解決方案?？梢噪S時(shí)了解各主各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)狀況，處理突發(fā)事件，亦可以記錄多天前的情況，進(jìn)行追蹤分析，采用太陽(yáng)能供電，編制出零布線太陽(yáng)能無(wú)線監(jiān)控技術(shù)方案?！?〕太陽(yáng)能路燈太陽(yáng)能路燈是一種用太陽(yáng)能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽(yáng)光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽(yáng)能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟(jì)不興旺、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問(wèn)題?！?〕太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能熱水器裝置通常包括太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要熱交換器和膨脹槽以及發(fā)電裝置以備電廠不能供電之需。太陽(yáng)能集熱器〔solarcollector〕在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中，接受太陽(yáng)輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的裝置。按傳熱工質(zhì)可分為液體集熱器和空氣集熱器。按采光方式可分為聚光型集熱器和吸熱型集熱器兩種。另外還有一種真空集熱器：一個(gè)好的太陽(yáng)能集熱器應(yīng)該能用20～30年。自從大約1980年以來(lái)所制作的集熱器更應(yīng)維持40～50年且很少進(jìn)行維修。五：結(jié)束語(yǔ)太陽(yáng)能有很多優(yōu)點(diǎn)，但在它成為未來(lái)的主要能源之前，還有許多亟待解決的問(wèn)題，隨著科技的進(jìn)步，研究的深入，我們對(duì)于太陽(yáng)能的利用限制會(huì)越來(lái)