新能源概論完整版本

新能源概述之太陽能太陽能概述太陽能能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽），人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。太陽能的發(fā)展太陽能的應(yīng)用太陽能的研究太陽能的發(fā)展據(jù)記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。將太陽能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補(bǔ)充能源”，“未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”，則是近來的事。20世紀(jì)70年代以來，太陽能科技突飛猛進(jìn)，太陽能利用日新月異。20世紀(jì)的100年間，太陽能科技發(fā)展歷史大體可分為七個(gè)階段。第一階段（1900~1920）清立新能源在這一階段，世界上太陽能研究的重點(diǎn)仍是太陽能動(dòng)力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器和低沸點(diǎn)工質(zhì)，裝置逐漸擴(kuò)大，最大輸出功率達(dá)73.64kW，實(shí)用目的比較明確，造價(jià)仍然很高。建造的典型裝置有：1901年，在美國加州建成一臺(tái)太陽能抽水裝置，采用截頭圓錐聚光器，功率：7.36kW；1902~1908年，在美國建造了五套雙循環(huán)太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)，采用平板集熱器和低沸點(diǎn)工質(zhì)；1913年，在埃及開羅以南建成一臺(tái)由5個(gè)拋物槽鏡組成的太陽能水泵，每個(gè)長62.5m，寬4m，總采光面積達(dá)1250m2。第二階段（1920~1945）在這20多年中，太陽能研究工作處于低潮，參加研究工作的人數(shù)和研究項(xiàng)目大為減少，其原因與礦物燃料的大量開發(fā)利用和發(fā)生第二次世界大戰(zhàn)（1935~1945年）有關(guān)，而太陽能又不能解決當(dāng)時(shí)對(duì)能源的急需，因此使太陽能研究工作逐漸受到冷落。第三階段（1945~1965）在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的20年中，一些有遠(yuǎn)見的人士已經(jīng)注意到石油和天然氣資源正在迅速減少，呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動(dòng)了太陽能研究工作的恢復(fù)和開展，并且成立太陽能學(xué)術(shù)組織，舉辦學(xué)術(shù)交流和展覽會(huì)，再次興起太陽能研究熱潮。在這一階段，太陽能研究工作取得一些重大進(jìn)展，比較突出的有：1945年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用型硅太陽電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；1955年，以色列泰伯等在第一次國際太陽熱科學(xué)會(huì)議上提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論，并研制成實(shí)用的黑鎳等選擇性涂層，為高效集熱器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。此外，在這一階段里還有其它一些重要成果。就不一一加以贅述了。第三階段（1945~1965）在這一階段里，加強(qiáng)了太陽能基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)材料的研究，取得了如太陽選擇性涂層和硅太陽電池等技術(shù)上的重大突破。平板集熱器有了很大的發(fā)展，技術(shù)上逐漸成熟。太陽能吸收式空調(diào)的研究取得進(jìn)展，建成一批實(shí)驗(yàn)性太陽房。對(duì)難度較大的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了初步研究。第四階段（1965~1973）這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。第五階段（1973~1980）1973年10月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭，石油輸出國組織采取石油減產(chǎn)、提價(jià)等辦法，支持中東人民的斗爭，維護(hù)該國的利益。其結(jié)果是使那些依靠從中東地區(qū)大量進(jìn)口廉價(jià)石油的國家，在經(jīng)濟(jì)上遭到沉重打擊。于是，西方一些人驚呼：世界發(fā)生了“能源危機(jī)”（有的稱“石油危機(jī)”）。這次“危機(jī)”在客觀上使人們認(rèn)識(shí)到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底改變，應(yīng)加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，重新加強(qiáng)了對(duì)太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能熱潮。第五階段（1973~1980）這一時(shí)期，太陽能開發(fā)利用工作處于前所未有的大發(fā)展時(shí)期，具有以下特點(diǎn)：各國加強(qiáng)了太陽能研究工作的計(jì)劃性，不少國家制定了近期和遠(yuǎn)期陽光計(jì)劃。開發(fā)利用太陽能成為政府行為，支持力度大大加強(qiáng)。國際間的合作十分活躍，一些第三世界國家開始積極參與太陽能開發(fā)利用工作。研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究工作日益深入，取得一批較大成果，如CPC、真空集熱管、非晶硅太陽電池、光解水制氫、太陽能熱發(fā)電等。第六階段（1980~1992）進(jìn)入80年代后不久太陽能研究高潮開始落潮，逐漸進(jìn)入低谷。世界上許多國家相繼大幅度削減太陽能研究經(jīng)費(fèi)，其中美國最為突出。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是：世界石油價(jià)格大幅度回落，而太陽能產(chǎn)品價(jià)格居高不下，缺乏競爭力；太陽能技術(shù)沒有重大突破，提高效率和降低成本的目標(biāo)沒有實(shí)現(xiàn)，以致動(dòng)搖了一些人開發(fā)利用太陽能的信心；核電發(fā)展較快，對(duì)太陽能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。第七階段（1992~）1992年以后，世界太陽能利用又進(jìn)入一個(gè)發(fā)展期，其特點(diǎn)是：太陽能利用與世界可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)緊密結(jié)合，全球共同行動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)世界太陽能發(fā)展戰(zhàn)略而努力；太陽能發(fā)展目標(biāo)明確，重點(diǎn)突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽熱、過熱過急的弊端，保證太陽能事業(yè)的長期發(fā)展；在加大太陽能研究開發(fā)力度的同時(shí)，注意科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)，加速商業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大太陽能利用領(lǐng)域和規(guī)模，經(jīng)濟(jì)效益逐漸提高；國際太陽能領(lǐng)域的合作空前活躍，規(guī)模擴(kuò)大，效果明顯。太陽能的應(yīng)用光電利用光熱利用光化利用光電利用光電轉(zhuǎn)換又稱太陽能光伏。太陽能板是一種暴露在陽光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料（例如硅）制成的薄身固體太陽能電池組成。由于沒有活動(dòng)的部分，故可以長時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較大的光伏系統(tǒng)可為房屋照明，并為電網(wǎng)供電。光熱利用太陽能光熱是指太陽輻射的熱能。太陽能光熱利用，除太陽能熱水器外，還有太陽房、太陽灶、太陽能溫室、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能土壤消毒殺茵技術(shù)等。太陽能熱發(fā)電是太陽能熱利用的一個(gè)重要方面，這項(xiàng)技術(shù)是利用集熱器把太陽輻射熱能集中起來給水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后通過汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來發(fā)電。根據(jù)集熱方式不同，又分高溫發(fā)電和低溫發(fā)電。光化利用這是一種利用太陽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)作用及光分解反應(yīng)。光化轉(zhuǎn)換就是因吸收光輻射導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程。其基本形式有植物的光合作用和利用物質(zhì)化學(xué)變化貯存太陽能的光化反應(yīng)。植物靠葉綠素把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)自身的生長與繁衍，若能揭示光化轉(zhuǎn)換的奧秘，便可實(shí)現(xiàn)人造葉綠素發(fā)電。目前，太陽能光化轉(zhuǎn)換正在積極探索、研究中。太陽能的研究光電利用的研究光熱利用的研究光化利用的研究光電利用的研究近年來圍繞光電池材料、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問題光伏技術(shù)發(fā)展迅速日新月異。晶體硅太陽能電池的研究重點(diǎn)是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池限制單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要技術(shù)障礙有①電池表面柵線遮光影響②表面光反射損失③光傳導(dǎo)損失④內(nèi)部復(fù)合損失⑤表面復(fù)合損失。針對(duì)這些問題近年來開發(fā)了許多新技術(shù)主要有①單雙層減反射膜②激光刻槽埋藏柵線技術(shù)③絨面技術(shù)④背點(diǎn)接觸電極克服表面柵線遮光問題⑤高效背反射器技術(shù)⑥光吸收技術(shù)。光電利用的研究目前第三代太陽能電池研究主要有以下幾個(gè)方向：1并聯(lián)疊層電池主要通過把高能隙的電池放在在最上層，疊層電池的性能隨著層疊電池?cái)?shù)量的增加而提高。硅-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽能電池通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的良好途徑。2雜質(zhì)的低、耗能少、工序少、價(jià)廉高效等優(yōu)點(diǎn)。光伏響應(yīng)能量低于能隙的光子也能對(duì)產(chǎn)生電流有，貢獻(xiàn)被激發(fā)電子經(jīng)由一個(gè)雜質(zhì)能態(tài)到達(dá)導(dǎo)帶電。3量子阱和子和空穴可以經(jīng)過這些雜質(zhì)能態(tài)復(fù)合。超晶格主要是通過利用納米材料的量子限制在太陽能電池表面形成光阱從而達(dá)到提高電池轉(zhuǎn)化效率的目的。光熱利用的研究一般來說，太陽能光熱發(fā)電形式有以下三種系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)塔式系統(tǒng)碟式(盤式)系統(tǒng)槽式系統(tǒng)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。要提高槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率與正常運(yùn)行，涉及到兩個(gè)方面的控制問題，一個(gè)是自動(dòng)跟蹤裝置，要求使得槽式聚光器時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)太陽，以保證從源頭上最大限度的吸收太陽能，據(jù)統(tǒng)計(jì)跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個(gè)是要控制傳熱液體回路的溫度與壓力，滿足汽輪機(jī)的要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常發(fā)電。塔式系統(tǒng)1973年，世界性石油危機(jī)的爆發(fā)刺激了人們對(duì)太陽能技術(shù)的研究與開發(fā)。相對(duì)于太陽能電池的價(jià)格昂貴、效率較低，太陽能熱發(fā)電的效率較高、技術(shù)比較成熟。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，都將太陽能熱發(fā)電技術(shù)作為國家研究開發(fā)的重點(diǎn)。從1981-1991年10年間，全世界建造了裝機(jī)容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級(jí)太陽能熱發(fā)電試驗(yàn)電站余座，其中主要形式是塔式電站，最大發(fā)電功率為80MW。由于單位容量投資過大，且降低造價(jià)十分困難，因此太陽能熱發(fā)電站的建設(shè)逐漸冷落下來。但對(duì)塔式太陽能熱發(fā)電的研究開發(fā)并未完全中止。1980年美國在加州建成太陽I號(hào)塔式太陽能熱發(fā)電站，裝機(jī)容量10MW。經(jīng)過一段時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行后，在此基礎(chǔ)上又建造了太陽II號(hào)塔式太陽能熱發(fā)電站，并于1996年1月投入試驗(yàn)運(yùn)行。碟式(盤式)系統(tǒng)盤式(又稱碟式)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能動(dòng)力系統(tǒng)。盤式(又稱碟式)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(拋物面反射鏡斯特林系統(tǒng))是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，接收在拋物面的焦點(diǎn)上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱到750℃左右，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。近年來，盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要開發(fā)單位功率質(zhì)量比更小的空間電源。盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于空間，與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，具有氣動(dòng)阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運(yùn)行費(fèi)用便宜等優(yōu)點(diǎn)，美國從1988年開始進(jìn)行可行性研究，計(jì)劃在近期進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。光化利用的研究自1772年發(fā)現(xiàn)光合作用以來，圍繞光合作用的研究一直是國際競爭相當(dāng)激烈的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一，也一直是生命科學(xué)領(lǐng)域長盛不衰的研究熱點(diǎn)。光合作用吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的分子機(jī)理及其調(diào)控原理是光合作用研究的核心問題。對(duì)光合作用能量傳遞和轉(zhuǎn)化機(jī)理及其調(diào)控原理的揭示，對(duì)光合膜蛋白復(fù)合物空間結(jié)構(gòu)解析，將可能使光合膜系統(tǒng)成為第一個(gè)在原子水平上，以物理和化學(xué)概念進(jìn)行解釋的復(fù)雜生物膜系統(tǒng)。該研究領(lǐng)域不僅本身具備重大的理論價(jià)值，還能跨越物理世界與生命世界的鴻溝，推進(jìn)多個(gè)前沿領(lǐng)域的發(fā)展，為開辟21世紀(jì)的新興產(chǎn)業(yè)提供理論依據(jù)和科學(xué)技術(shù)信息。光化利用的研究國際生物質(zhì)能的發(fā)展現(xiàn)狀：美國高度重視生物質(zhì)能研發(fā)，提出未來10年政府投入1500億美元帶動(dòng)可再生能源的開發(fā)，并于2009年撥款10億美元作為生物質(zhì)能研發(fā)經(jīng)費(fèi)。美國生物質(zhì)能