新疆地區(qū)太陽能綜合應用的研究

苗 莉，陳志豪，李晨暉,吳瑞潔，許倩文

(新疆科技學院，新疆 庫爾勒 841000)

1 引言

1.1 研究背景

《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》中明確指出：確保完成“十四五”節(jié)能減排目標，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標奠定堅實基礎[1]。新疆的清潔能源儲量十分豐富，占據(jù)重要位置的清潔能源戰(zhàn)略基地，有著非常廣闊的開發(fā)余地。積極應對國家雙碳目標，是迫切需要面對和解決的問題[2]。清潔能源是未來最有希望作為不可再生能源的替代品,現(xiàn)在的清潔能源還處于前期發(fā)展階段，多數(shù)的技術尚未成熟，為了解決這些可再生能源應用到相關發(fā)電中所產(chǎn)生的波動性、中間可能產(chǎn)生的不可預測的問題和能源轉(zhuǎn)換可能會有中斷或是間隔等問題，相關技術需要創(chuàng)新，為清潔能源的發(fā)展創(chuàng)造更好的發(fā)展條件。太陽能是一種典型的可再生能源，對于人類而言幾乎能夠長久較穩(wěn)定的獲取，同時作為清潔能源的典型代表不會對環(huán)境造成不可逆的危害，獲取過程也不會排放有害氣體或生成有害物質(zhì)。太陽能應用廣泛，地球上大部分地區(qū)都受到太陽輻射，但地區(qū)間的差異對太陽能的利用有很大的影響。只要合理配置光能接收設備，光能利用效率便可以大大提高。

1.2 研究意義

1.2.1 促進新疆地區(qū)的能源轉(zhuǎn)型

新疆石油資源豐富，約占中國石油資源的1/3。天然氣資源也占有很大份額，約占中國陸地天然氣資源的34%?？偟膩碚f，新疆地區(qū)與化石有關的燃料資源相當豐富，但因經(jīng)濟發(fā)展實力不足，礦產(chǎn)的開發(fā)趨向小型化，又因為新疆的地勢陡峭，對部分地區(qū)的能源開采和勘測受到限制，各種資源的利用、儲存和運輸都非常有限。而以太陽能為首的清潔能源與這片疆域有較高的適配性，與之實現(xiàn)優(yōu)勢互補，因此，化石能源可以轉(zhuǎn)用為清潔能源。

1.2.2 減少能源的無效化利用

能源的生產(chǎn)、存儲和運輸中間必定有著能源的虧損，而一味地改進設備既不會在短期內(nèi)取得很明顯的成果，又由于將大量的資金投入科研，沒有看到相關成果，也一定程度上減緩了能源轉(zhuǎn)型的速率。因此，在進行科技創(chuàng)新的同時也需要對能源的合理分配做好相關調(diào)整，從而更好的發(fā)展清潔能源。新疆地區(qū)居民的生活水平相較于東南地區(qū)偏低，能源也是助推經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，清潔可再生能源是新疆發(fā)展的最佳方向。不破壞環(huán)境的同時，也為居民提供了充足的能源供應。

2 太陽能利用情況分析

2.1 國內(nèi)部分地區(qū)太陽能的利用情況

目前全球資源十分緊缺，生態(tài)環(huán)境也在不斷地惡化，開發(fā)新能源就成為大眾所關注的焦點，其中太陽能備受關注。目前，我國利用太陽能技術在太陽光探測與照明技術、太陽能熱利用技術、太陽能發(fā)電和光伏技術等方面取得了長足的進步，達到了世界領先水平。西藏缺乏石油、天然氣等常規(guī)能源，在一定程度上阻礙了西藏經(jīng)濟的有效發(fā)展，使西藏工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期處于較低水平，將樹木或者是牲畜的糞便作為生活燃料，這些污染性極大的燃料使得西藏的生態(tài)環(huán)境進一步惡化。因此，西藏的綠地逐年減少，滑坡和泥石流時有發(fā)生，亟須提供新的解決方案和方法，以滿足中國對可再生能源日益增長的需求。近年來，國家與自治區(qū)能源開發(fā)有關政策的有力支持，國家將把利用開發(fā)新能源和可再生資源放在國家能源建設開發(fā)戰(zhàn)略的優(yōu)先地位，西藏還把太陽能的利用和發(fā)展作為經(jīng)濟社會發(fā)展的重要組成部分，采取了相應的太陽能政策，大力支持西藏太陽能的發(fā)展。太陽能資源應用非常廣泛，也可用于其他領域，如太陽能道路、太陽能樹、太陽能氣象站、太陽能路燈和太陽能光伏泵。尤其在回族聚集區(qū)，非常照顧回族生活習俗，集中推廣使用太陽能熱水器，在其全區(qū)累計推廣太陽能熱水器約2000平方米[3]。西藏地區(qū)和新疆地區(qū)都屬于我國的西部地區(qū)，從西藏的太陽能發(fā)展情況也能大致看出新疆地區(qū)的太陽能發(fā)展走勢，隨著西部地區(qū)的經(jīng)濟逐步發(fā)展，存在的問題都能得到正確有效的解決。

2.2 新疆地區(qū)太陽能的利用情況分析

目前，新疆地區(qū)主要以太陽能熱水器的形式來利用太陽所產(chǎn)生的熱輻射，而利用太陽能的企業(yè)共計11家，分布在新疆的各個地區(qū)，但主要分布在烏魯木齊，共四家。產(chǎn)品形式非常豐富，具有一定的影響力。新疆太陽能熱利用所建立的產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，與國內(nèi)同行業(yè)相比只能算是中小企業(yè)和微型企業(yè)。在區(qū)內(nèi)形成、具有一定影響力，且覆蓋全區(qū)的本地品牌僅1家[4]?？偟膩碚f，新疆地區(qū)利用太陽能的情況較為良好，從企業(yè)投入情況來看今后太陽能在新疆地區(qū)的發(fā)展能夠達到一個新的高度。

根據(jù)新疆地區(qū)2021年已有太陽能設備接收并使用太陽能的情況能夠得出：新疆太陽能的發(fā)電量在每月波動不是很大，同年太陽能的發(fā)電同比增長基本上為正值，并且每月的發(fā)電量都比較可觀,穩(wěn)定的太陽輻射是保證太陽能正常供電的基礎，新疆地區(qū)太陽能的建設與發(fā)展正處于快速發(fā)展階段，做好相關設備的合理建設與維護，基本上可以滿足一定時期內(nèi)太陽能的連續(xù)轉(zhuǎn)換。

新疆地區(qū)最近10年的太陽能發(fā)電量的情況，從2016年的太陽能發(fā)電量大幅增長大致能夠推斷出在保證太陽能發(fā)電總量不下跌的情況下可以在短期內(nèi)實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化的大幅增長。自2010年以后新疆地區(qū)電力消費量增幅有較大的提升，到2015年以后增幅又逐漸放緩。其中放緩的原因很大程度上是化石燃料的使用受到了抑制。雖說化石燃料的使用量減少但整體上仍呈上升趨勢，這也體現(xiàn)出了可再生能源和清潔能源能作為能源轉(zhuǎn)型過渡階段極佳的能源物質(zhì)。因新疆具有地勢高、光照強、云層薄等特點，因此是太陽能利用的絕佳地區(qū)。加大資金的投入和政策的扶持能夠更快的將太陽能設備和技術進行擴展，從而達到能源的高效利用，也能間接地改善新疆地區(qū)的氣候和環(huán)境。

新疆地區(qū)化石燃料的儲量十分豐富，并且其所使用的能源大部分是煤炭、石油和天然氣等化石燃料的消耗品。二次使用這些不可再生能源對使用區(qū)域周圍的環(huán)境和氣候有重大影響。在此規(guī)劃的正確引導下，全國各地響應國家的號召，認真落實相關工作以達到節(jié)能減排的目的。因此，煤炭、石油、天然氣和其他能源的使用將在一定程度上受到限制，同時這種情況需要從源頭上對相關問題進行解決，也就是需要對能源的使用結構進行相應的調(diào)整，從而達到減少化石類能源的消耗，同時兼顧可以在短時間內(nèi)再次生成的能源以及不會產(chǎn)生較多能源廢料的清潔能源的應用。這些措施不僅可以減少二氧化碳排放，還可以保護環(huán)境，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的目標。從能源使用的角度來看，新疆大城市的能源需求量很大，需要保證這些地區(qū)有充足的能源供應，從消費結構的角度上可看出能源的主要供應方式為煤炭等化石燃料的能源供應，在短期內(nèi)轉(zhuǎn)換能源供應方式不太現(xiàn)實。“十四五”規(guī)劃中也指出了后期的能源發(fā)展要向節(jié)能減排的方向看齊，太陽能等清潔能源的發(fā)展和大規(guī)模應用受到了新疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對國內(nèi)地區(qū)較緩慢的阻力和國家政策相關能源發(fā)展總方略方面的動力，讓清潔能源的發(fā)展在后期的應用范圍和廣度大大提高。

2.3 居民房屋建筑中常用的太陽能設備

在中國居民房屋建筑中使用最多最廣泛的太陽能設備是太陽能熱水器、小型太陽能發(fā)電板、太陽能蓄電池以及一些太陽能家用燈具。太陽能熱水器是百姓家中最常見的太陽能使用工具，它使太陽光能轉(zhuǎn)化熱能，用來加熱水溫，滿足百姓對熱水的需求。小型太陽能發(fā)電板在日常生活中多見于路燈的應用，在太陽能豐富的低青春期，太陽能電池板安裝在路燈的頂部，白天接收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，儲存夜間照亮街道所需的電能。太陽能具有安裝方便、投資少、節(jié)能環(huán)保、安全性好等優(yōu)點，是一種可再生、節(jié)能環(huán)保的能源。利用太陽能發(fā)電符合國家綠色發(fā)展理念。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能節(jié)能環(huán)保等特征被人們所認知，修建房屋時光伏屋頂也成為一種選擇，不僅美觀還實用，讓人們的居住感更強。此外，價格實惠，居住時間越長所獲得的經(jīng)濟效益越高，光伏屋頂產(chǎn)生的電量可供屋內(nèi)外使用，節(jié)省電費和取暖費。

3 新疆地區(qū)太陽能在生產(chǎn)方面的應用

3.1 太陽熱輻射烘干經(jīng)濟作物

新疆不僅僅日照時間非常充足，地面所能接收到的太陽輻射能量也較大[5]。太陽能最原始最初階段最常用的方法之一就是利用太陽的熱輻射直接對物體進行脫水。新疆吐魯番的葡萄干是十分出名的，但是在吐魯番日間的溫度高達四十多度的情況之下，一串新鮮的葡萄掛到晾房之中要大約經(jīng)歷兩個月之久才可以自然陰干，在此期間會有許多的葡萄在還沒有陰干成葡萄干之前就已經(jīng)腐壞，如果使用太陽熱輻射烘干技術，其周期與自然晾曬相比就會大大縮短，這樣一來就可以避免因環(huán)境變化而導致的作物污染或者是腐爛變質(zhì)，既提高了烘干的效率，又可以烘干出更多品質(zhì)好的作物。事實上，早在20世紀80年代，中國就開始了利用太陽輻射烘干農(nóng)產(chǎn)品。研究最后獲得的成果也是十分豐富的，但是因為在當時的社會環(huán)境之下，人們對于節(jié)約能源以及保護環(huán)境的意識還遠遠不夠，除此之外，在中國能源豐富的地區(qū)，經(jīng)濟水平相對落后，科學技術水平不斷發(fā)展，研究水平也是不斷提高。但是由于近年來環(huán)境的變化和能源的短缺使得太陽熱輻射烘干經(jīng)濟作物這項研究又重新得到重視和發(fā)展。

3.2 太陽能發(fā)電

太陽能主要利用太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存或利用，因為太陽能板的成本較高，所需空間大，只有少數(shù)居民能夠做到自給自足，大多數(shù)居民可以使用太陽能發(fā)電廠所提供的太陽能。從12月28日開始，新疆第一個太陽能發(fā)電項目在中央哈密特熔鹽發(fā)電廠誕生，當發(fā)電量達到1000萬千瓦時，意味著向穩(wěn)定生產(chǎn)過渡。這也證明了中國有能力“積累”太陽能，并將獲得的能源轉(zhuǎn)移到國家電網(wǎng)。此外，經(jīng)過優(yōu)化運行后，項目將能夠長期保證不間斷供電，并嚴格按照光伏電站電網(wǎng)管理運行指標的要求參與，主汽溫度、主汽壓力、日負荷率不斷攀升，項目中的技術骨干逐步達到設計要求，以便于順利完成施工。自20世紀90年代以來，中國進行了光熱實驗。該電站是2016年國家建設的前20年之一，也是新疆唯一完成的太陽能熱發(fā)電示范項目。項目正式啟動后，設備每年可以利用3980個小時，一年時間內(nèi)可以發(fā)出的電量為1.98億度?？梢哉f，光熱項目在中國的商業(yè)化還處于起步階段。首批示范項目目前建設效果不甚理想，近一半項目未能如期建設，為我國光熱發(fā)電項目積累很多經(jīng)驗，證明了在我國光熱發(fā)電技術是可行的，能夠減少對火電的過度依賴，為我國實現(xiàn)碳達峰碳中和目標作出積極探索。并且新疆地區(qū)其他行業(yè)也或多或少有利用太陽能，為綠色健康發(fā)展注入強勁動力。

雖然太陽的輻射能力巨大，但是廣泛地分布在地球表面，所以太陽能的能量密度相對是比較低的。因此，大規(guī)模收集太陽能需要大量的設備和投資。與地球的持續(xù)旋轉(zhuǎn)相結合，太陽能具有不連續(xù)性，這意味著對于同一個地方，可用的太陽能不是連續(xù)的或不連續(xù)的。有時晴朗的天氣，有時下雨，增加了太陽能的差距。這就意味著太陽能只能作為輔助的能源，不然就必須要增加儲能裝置橫。但是這會大大增加投資的成本。并且很大規(guī)模地儲存能量會使得技術難度增加。大型風力發(fā)電系統(tǒng)具有較高的功率可靠性和相對較低的運行維護成本。小系統(tǒng)發(fā)電量高，系統(tǒng)成本低，運行維護成本低。但是小型的風力發(fā)電機不太可靠。運用太陽能發(fā)電的成本比較高，技術含量也高，而且在天氣惡劣的時候太陽能發(fā)電會受到影響，而運用風力系統(tǒng)發(fā)電卻是天氣越惡劣所收集到的能量才越多。由于這些系統(tǒng)是互補的，它們可以填補與獨立風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)相關的資源和環(huán)境缺口。風能和太陽能與可再生能源是相同的能源生產(chǎn)形式，它們都有減少空氣污染和資源的優(yōu)點。然而，由于不同的操作條件，有時顯示出不同的優(yōu)點和缺點。風力發(fā)電適用于環(huán)境惡劣且風力較大的情況，太陽能用在太陽輻射時間長且充足的地區(qū)，但不用于經(jīng)常受霧霾影響的地區(qū)。此外，太陽能的發(fā)電是有限的。因此，它們有自己的優(yōu)勢。風能必須得到太陽能和核能等清潔能源的補充。在風能和太陽能聯(lián)合發(fā)電的聯(lián)想下構想出太陽能和風能的結合應用設備“太陽能風力發(fā)電機”。太陽能和風能在多數(shù)情況下為互補清潔能源，通過改進這種方法，可以同時提高能源利用率。

構想對風能的風翼和太陽能板相結合，對太陽能板的相關研發(fā)需要投入更多的時間和精力，未來太陽能、風能等環(huán)境能源的開發(fā)將逐步取代化石燃料等不可再生能源的使用，突破太陽能的平面構造，研發(fā)出能與風力發(fā)電機的風翼相適配的弧面太陽能板，對此構想的實現(xiàn)打下堅實的基礎。需要在太陽能相關設備的研發(fā)和建設方面相對其他能源基建的建設需要投入更多的精力和資源。主要的太陽能應用形式體現(xiàn)在人們生活中的方方面面，對太陽能的應用作出相關創(chuàng)新構想，將互為互補能源的太陽能和風能結合改造后完成的相關構想設備。此設備的成功研發(fā)能夠在同一時間大大提高能源的轉(zhuǎn)化效率，從而在理想狀態(tài)下產(chǎn)生更大的效益。

4 研究結論

第一，能源的合理利用是促進社會經(jīng)濟和環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展的決定性因素之一。能源的多元化利用，提高了工作效率，同時也間接性的提升了生活質(zhì)量。隨著環(huán)境保護意識的提升，能源逐漸向低碳、環(huán)境污染少、生產(chǎn)便利的方向發(fā)展，減少化石燃料的使用，達到環(huán)境保護和能源可持續(xù)發(fā)展的目的。

第二，通過對已有與太陽能和其他能源之間的共性分析，建立出新型的太陽能發(fā)電裝置，從而可以得出太陽能的多方面拓展創(chuàng)新應用，有助于能源更高效的利用。

第三，新疆地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展相對落后，對創(chuàng)新領域的投入在短時間內(nèi)不會有大的增長，所以太陽能的分區(qū)規(guī)劃能更加有效的達到能源有效供應的目的。