利用太阳能的方式以及其优缺点分析

武汉大学

[太阳能利用]

专业：[动力与机械学院] 学生姓名：[***]

学号：*************

完成时间：2022年4月27日

利用太阳能

摘要:为了应对如今严峻的能源短缺的问题。出现了各种利用太阳能的方式，比如;太阳能的直接利用，水的光解制氢，太阳能发电板

关键词;太阳能，凹面镜，太阳能电池，化学能，电能

如今面对极度缺乏能源严峻形式，积极寻找新能源的高效便捷的利用方式已成为当下十分重要的课题。而作为分布最为广泛的太阳能无疑成了未来的新能源首选。据估计，照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费，这就是说太阳能有很大的开发空间。然而，很遗憾的是现在的太阳能利用并没有达到令人满意的效果，普遍存在利用效率不高的问题，现在我就个人想法对现在的太阳能利用及其发展做个概述，并且提出几个新的利用太阳能的方式。

一：关于现今已有的利用太阳能的看法

1.太阳能的直接利用

这种方式是最直接的利用方式，直接将太阳作为热源而获得太阳能，例如太阳能热水器，利用凹反射镜加热水，实现干燥等。但是很明显的是这种利用方式并不能符合现代要求，其应用广泛性太小了，因为它仅仅将太阳能转变为热能，因此很难得到大规模地在多领域的应用，但是它的优点也相当明显，作为一个热源它是一个很好的选择，一个普通的凹面反射镜的焦点温度可达几百甚至上千。所以能不能结合这个优点将太阳能利用起来呢。当然可以，我们可以在一个光线充足的地方建大规模的集群性的太阳能汇聚镜，用它来加热水塔中的水，从而产

生高压水蒸气带动汽轮

机转动实现发电。而这一

想法已有实例，下图就是

聚光太阳能发电塔。一个

这样的独立单元发电功

率达到50兆瓦，这一发

电方式虽然成本较高，不

过其利用太阳能效率较

高，甚至超过了太阳能光

伏电池的利用效率，有望

发展。

2.通过催化剂实现光能到化学能的转变

这种发电方式简称光催化法制氢，在半导体TiO2及过渡金属氧化物、层状金属化合物，如K4Nb6O17、K2La2TiO10、Sr2Ta2O7等，以及能利用可见光的催化材料，如CdS、Cu-ZnS等的催化下，在一定的光照条件下，催化分解水，从而产生氢气。然而到目前为止，利用催化剂光解水的效率还很低，只有1% ～2%。效率极低，所以现在的主要任务是寻找高效催化剂。那么既然在低温下，水难以分解，可不可以在高温条件下实现这一点呢?我们知道水背加热到上千度时会变成H2和O2。而这一点不正好可以通过高效率的太阳光汇聚反射镜实现吗。这样就实现了太阳能向化学能的转变了。可是上千度对反应仪器开说必定是巨大的考验，所以我们还是要借助于一种适用于高温下能够催化水分解反应的催化剂。于是我们可以适当降低对温度的要求然而却任然有较高效率。（显然这一过程中必须实现H2和O2的高温下的分离，不然H2和O2很有可能又反应生成水。）那么可不可以再物质上考虑呢？我想首先这种物质在地球上必须是含量丰富又容易获得的，所以可以向二氧化碳，二氧化硅，氧气，氮气等等考虑。运用同样的方法，通过温度与催化剂的调控，实现物质的有利转换。如二氧化碳转变为氧气和碳，将氮气在阳光和催化剂的条件下向氮的化合物转变，形成氮肥等物质。

3. 通过太阳能电池实现太阳能与电能的转换

太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。因其能量转换效率相对较高（2012年韩国现代重工集团的铜基触点选择性发射极太阳能光伏电池片的转换效率已达到19.7%）而且使用寿命长优点主要有转换方式直接，而且电池安装方便，即可以小型化，也可以用来大规模的发电等各个方面的优点而被广泛应用。然而其弊端也不少。

从太阳能电池板的生产来看，全球37家光伏组

件制造商中4家公司的化学排放超标，13家公

司承认排放了危险废物、重金属、空气污染物、

臭氧消耗物中的一种或多种污染物。太阳能电

池板最常用的材料是晶体硅，但是硅提纯为晶

体硅的过程会得到高纯度的剧毒物质三氯氢

硅，和四氯化硅。这是种腐蚀性极强、难以保

存的有毒液体，不能自然降解。如果将它倾倒

或掩埋，水体将被严重污染，土地会变成不毛

之地。另外每生产1千瓦的太阳能电池板，保

守估计需要耗费5800~6000度电。从电池板的维护来看，为了保持电池板对光的吸收效率，需要定期除尘，而这又需要很多的水资源。从回收上来看，太阳能电池板中含有银、碲、铟等稀有金属，但因回收利用受到限制，所以这些金属容易遭到废弃。

这样一来，太阳能电池所需要解决的问题似乎不少。首先是生产原料与工艺上需要有很大的改进（例如能不能够找到其他材料代替硅，并且减少减少重金属，稀有金属的使用）。

而在利用效率上，我觉得也许可以将纳米技术应用于光电池中，利用纳米材料的表面效应，实现光的高吸收度，从而提高效率。

二：我自己的利用太阳能发电设想

1.利用太阳能汇聚镜加热物体而实现温差发电

如前所述，凹面镜（抛物面最好）有很好的聚光效果，能把一个导电物体（这里我想金属是最直接的）的温度加热到几百甚至上千度，我们就可以根据汤姆森的温差发电原理（金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。）去造一个温差发电机。虽然这个发电机的效率难以保证，因为高温金属的辐射必然导致热量的散失，而且必需考虑热传导带来的热量损耗。

2.利用线圈对电磁波的感应发电

我们知道在电磁波通过一个不连续的线圈的线圈时会产生感应电动势。这正是赫兹用来验证电磁波理论的方法。

于是我想能否通过线圈，是太阳光通过其中而发电呢！当然这样的利用效率必然是非常低的。于是就必须用很多的线圈来提高利用效率。

首先将阳光通过两个凸透镜汇聚成细光束，然后将其通过细密线圈，从而将利用效率提高。但是即便是这样利用效率任然很低。我想可以设计环型线圈（有开口），内置许多反光镜，使得射入的光线在线圈里面转圈，由于又有源源不断的射入光线，所以在一定程度上可以再次提高光能利用效率。

总结：现在太阳能利用无论从方式还是效率成本来看都并不令人满意，不过我相信未来太阳能利用一定可以向多方面发展，应用也会越来越普遍。至少在实现并且能够熟练使用可控核聚变之前，太阳能必定是未来能源之不二选择。