淺談太陽能的利用

摘要：作為新興的綠色能源太陽能，可以用來發(fā)電，進(jìn)行太陽熱的收集利用，還可以應(yīng)用在諸多的領(lǐng)域里，“金色能源”—太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的一種能源。文章提出加大開發(fā)利用太陽能，符合了科學(xué)發(fā)展觀的基本要求，符合了能源緊缺、環(huán)境污染這一嚴(yán)峻的當(dāng)今社會(huì)需要，并介紹了幾種太陽能的利用方法。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；太陽熱利用；平板式太陽集熱器；真空管式集熱器；聚光燈式集熱器

中圖分類號：S214 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0096-02

1 概述

2013年國際能源戰(zhàn)略智庫峰會(huì)指出：“全球氣候變化、國際金融危機(jī)、歐洲主權(quán)債務(wù)危機(jī)、地緣政治等因素對國際能源形勢產(chǎn)生重要影響，世界能源市場更加復(fù)雜多變，不穩(wěn)定性和不確定性進(jìn)一步增加。國內(nèi)因素與國際因素互相影響，資源和環(huán)境約束進(jìn)一步加劇，節(jié)能減排形勢嚴(yán)峻?！?/p>

作為新興的綠色能源太陽能，可以用來發(fā)電，進(jìn)行太陽熱的收集利用，還可以應(yīng)用的諸多的領(lǐng)域里，金色能源太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的一種能源，加大它的開發(fā)利用，符合了科學(xué)發(fā)展觀的基本要求，符合了能源緊缺，環(huán)境污染這一嚴(yán)峻的當(dāng)今社會(huì)需要。太陽能熱水器作為實(shí)用化技術(shù)被廣泛應(yīng)用。在較高的數(shù)百攝氏度以上高溫領(lǐng)域的利用，雖然說在技術(shù)上需要有高級的集光型太陽能集熱器，但是應(yīng)用熱裝置進(jìn)行發(fā)電的太陽能發(fā)電等新興技術(shù)也已經(jīng)成為可能。具有數(shù)千倍集光度的太陽爐甚至能夠獲得3000℃以上的高溫。

2 “金色能源”——太陽能電池發(fā)電原理

可再生能源的基本源泉是太陽和月亮，太陽能的利用可以分為直接方式和間接方式。直接方式包括太陽能熱水器、太陽能電池等；間接方式有通過水循環(huán)進(jìn)行的水力發(fā)電，風(fēng)循環(huán)進(jìn)行的風(fēng)力發(fā)電，還有利用受惠于太陽光生長的植物進(jìn)行的生物質(zhì)能發(fā)電和生物酒精制造等。另外，還有利用月球引力所引起的潮位變化來進(jìn)行的潮汐發(fā)電和利用地球內(nèi)部巖漿產(chǎn)生的熱能進(jìn)行的地?zé)岚l(fā)電等。

2.1 太陽能的利用方法

包括太陽光和太陽熱的利用，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的元件被稱為太陽能電池。利用太陽能發(fā)電主要有如下優(yōu)勢：（1）太陽能具有取用不竭的特征，且為綠色清潔的特性；（2）太陽能發(fā)電沒有可轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，是無公害發(fā)電；（3）在陰天情況下依靠散射光一樣可以發(fā)電，即使遭遇災(zāi)害天氣時(shí)仍然有希望能夠確保供應(yīng)。保養(yǎng)容易，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化；（4）太陽能電池使用壽命可以長達(dá)20年以上；（5）制造太陽能電池的主要材料是硅，而硅是世界上含量僅次于氧的元素，總量位于世界第二，資源量非常可觀。

2.2 太陽能的發(fā)電原理

太陽能電池就是利用晶體管及集成電路中使用的代表性元素硅的半導(dǎo)體材料，經(jīng)過光照射產(chǎn)生電流的性質(zhì)（即光電效應(yīng)）實(shí)現(xiàn)發(fā)電的一種技術(shù)。光照射N型半導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生帶有負(fù)電荷的電子，而P型半導(dǎo)體則會(huì)產(chǎn)生帶有正電荷的空穴（電子脫離留下的孔），這樣P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)就會(huì)在接觸面形成電勢差，由于存在電勢差，電子從P結(jié)移向N結(jié)，空穴則正好相反，從N結(jié)移向P結(jié)，并聚集在兩側(cè)的電極上。當(dāng)外部電路接通時(shí)，將會(huì)有電流流過產(chǎn)生電力。

照射在地球表面的太陽光，在穿過大氣層的時(shí)候，部分能量被大氣層中存在的氮?dú)?、氧氣、水蒸氣、二氧化碳等氣體分子吸收，使到達(dá)地球表面的太陽光能量密度比大氣層外的p值小。太陽光穿透空氣的量稱為AM，所以在大氣圈外是AM-0，從天空垂直入射是AM-1，在中緯度地帶（赤道區(qū)域），考慮到太陽光要穿透大氣層的1.5倍，所以稱為AM1.5，AM-1.5的太陽光能量密度大約是1kw/m。如果太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是100%的話，光照射在1m2面積上就可以獲得1kW的電能。而家庭中實(shí)際使用的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是10%～20%，所以一塊邊長為1m的正方形太陽能電池板上可以獲得的太陽能是100～200W。

由上面計(jì)算所得，每秒鐘照射到1m地球上的太陽能是1.37kJ，假設(shè)地球半徑是6.378×106m，那么地球表面的投影面積S為：S=π×（6.378×106m）=1.28×104m。地球上1s接收的太陽光能量E為：E=1.37kJ/m2×1.28×104m=1.75×104kJ，將這個(gè)值乘以一年的時(shí)間，1t=365×24×3600s=3.1536×107s，相當(dāng)于獲得了5.52×1021J的能量。這其中有大約30%的能量被云層以及大氣層反射到宇宙中，所以實(shí)際上地球表面上接收的能量是3.86×1021J。如果將這個(gè)值換算成石油當(dāng)量的話，1t石油=41.9GJ=4.19×107J，則每年地球表面上獲得的太陽能相當(dāng)于9.22×10t（約1000億噸）石油燃燒產(chǎn)生的熱量，這些能量中的一部分將轉(zhuǎn)化成水循環(huán)形成降水，人們利用這些進(jìn)行水利發(fā)電。太陽會(huì)引起大氣循環(huán)，人們利用這些空氣的流動(dòng)進(jìn)行風(fēng)力

發(fā)電。

2007年，全世界一年共消耗了相當(dāng)于117億噸石油的化石燃料（煤和石油），而這些化石燃料都是幾億年前生物接收太陽光后生長，進(jìn)化形成的化石，是太古時(shí)代儲(chǔ)存至今的太陽能。

如果人類繼續(xù)以現(xiàn)在同樣方式消耗能源的話，2030年時(shí)，每年預(yù)計(jì)消耗的能量相當(dāng)于171億噸石油燃燒產(chǎn)生的能量，即使是這樣大的消耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們每年所接收的太陽能，所以加大太陽能電池的開發(fā)利用是很有必要的。

3 “金色能源”——太陽熱利用的原理

把太陽能作為熱能利用在技術(shù)上是比較容易實(shí)現(xiàn)的。特別是100℃以下的低溫領(lǐng)域的應(yīng)用，太陽能熱水器作為實(shí)用化技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和目前以天然氣為燃料的火力發(fā)電系統(tǒng)基本一樣，不同之處是在于蒸汽的發(fā)生，天然氣火力發(fā)電的燃料熱是通過鍋爐，太陽能發(fā)電則是采用了集熱器或者稱為集熱循環(huán)的裝置來收集熱。

下面，筆者介紹幾種常見的集熱器：

3.1 平板式太陽能集熱器

平板式太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能量并向工質(zhì)傳遞熱量的裝置，它是一種特殊的熱交換器，集熱器中的工質(zhì)與遠(yuǎn)距離的太陽進(jìn)行熱交換。平板式太陽能集熱器運(yùn)行可靠，成本低廉，熱流密度較低，即工質(zhì)的溫度也較低，安全可靠，承壓能力強(qiáng)，吸熱面積大。

3.2 真空管式集熱器

通常所指的真空管式集熱器為利用玻璃-金屬封接在真空狀態(tài)下的熱管，并通過熱管傳遞熱量的管狀太陽能集熱器件。

由于平板式熱水器的玻璃蓋和集熱部件之間存在空氣層，對流損失大，超過了100℃的高溫集熱比較困難，而完全消除對流損失的方法就是把這部分空間做成真空。這種集熱器幾乎沒有對流、傳導(dǎo)的熱損失，假如再采用高性能的選擇吸收面，可以大幅度減少熱輻射損失，因此可以實(shí)現(xiàn)太陽能制冷等高溫條件的高效集熱。

3.3 聚光燈式集熱器

太陽爐是各式樣的聚光燈式集熱器中最常耳聞的。采用高精度的旋轉(zhuǎn)拋物面鏡作為聚光燈式集熱裝置被稱為“太陽爐”，由于可以很容易達(dá)到數(shù)千攝氏度的高溫，很久以前就被用來進(jìn)行高溫的物性等研究。在日本，太陽爐最早是在名古屋工業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)所建成的，其后在日本東北大學(xué)建設(shè)的大型太陽爐的溫度可接近4000K。全世界最有名的太陽爐是位于法國比利牛斯山脈奧迪溫市國家科學(xué)研究中心太陽能研究所的直徑為54m的大型太陽爐。

目前，太陽能的利用主要集中在太陽能電池和太陽熱兩個(gè)方面，利用其原理的衍生高科技產(chǎn)品類型豐富：太陽能汽車、太陽能水泵、太陽能沼氣、被動(dòng)式太陽房、太陽灶、太陽路燈等等，不勝枚舉。

作者簡介：夏立榮（1970-），女，湖南衡東人，湖南省衡東縣環(huán)境保護(hù)局工程師，研究方向：環(huán)境保護(hù) 。endprint