太阳能的开发和利用

太阳能开发利用概述
—— 39055217 王占鳌摘要：能源是人类生存和发展的物质基础，随着矿物能源的逐渐匮乏和环境污染的日益严重，
新能源的开发利用越来越引起人们的重视。

太阳能是一种清洁的自然再生能源，取之不尽，
用之不竭。

开发和利用太阳能，既不会出现大气的污染，也不会影响自然界的生态平衡，而且只要阳光所及的地方，都有太阳能可以利用，太阳能以其长久性、再生性、无污染等优点备受人们的青睐。

可以预见，在未来的发展中，太阳能将会成为最重要的能源之一。

本文将介绍太阳能的特点及其利用技术当前的现状，以及我国对太阳能的开发和利用。

关键词：太阳能；利用；发展前景；社会意义
一.引言
新能源是21世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术之一，人类将面临现实社会经济和社会可持续发展的重大挑战。

世界经济的快速发展，对能源需求逐年增长，而地球上以石油和煤炭为主的矿物资源日渐枯竭，能源已成为制约各
国经济社会发展的瓶颈。

因为能源争抢，本世纪已爆发多次地区冲突或大规模战争。

同时，化石燃料的燃烧，致使每年有数十万吨硫的碳、氮、硫及其化合物的有害气体排放到大气环境中，使部分地区的环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；形成的酸雨对土地资源和水资源都造成了极大的破坏。

矿石燃料燃烧所产生的二氧化碳排放至大气中，造成温室效应，引起全球气候变化，致使臭氧层出现大面积的空洞。

随着人类社会的发展，人类对生活品质的要求日益增高，改善生态环境的呼声也越来越高，开发利用无污染的新能源，对促进社会文明与进步，发展经济以及改善人民生活具有重大的意义。

由此不难看出，太阳能作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，如何实现其全面利用正必将成为世界各国可持续发展战略的重要内容。

二.太阳能的特点
第一，总量巨大。

据估算，地球每年接收的太阳能总量为10 10
kW・h,相当于5 1014桶原油，是探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的
一万余倍。

第二，容易获取和利用。

从空间上来讲，太阳能容易获取，在地表无处不在，无勘探和开采成本。

但是太阳能在时间上具有不连续性，只能在白天利用，夜间几乎为零，如需不间断利用太阳能，则必须有响应的储能机制以备夜晚使用。

所以太阳能是随处可见，但定时可用的能源。

第三，清洁无排放。

获取和利用太阳能的过程本身不会产生任何污染物的排放，也不会留下残余物。

在环境日益恶化的今天，这一点显得尤其重要，这也是各国竞相展开太阳能研究的直接原因。

第四，取之不尽，用之不竭。

太阳能来自于太阳内氢元素聚变为氦元素的热核反应。

太阳的质量约为2X l030kg（是地球质量的33万倍），其中约3/4为氢元素，根据目前太阳热核反应速率，每秒有6.57 X 1011kg的氢聚合生成6.53 X 1011kg的氦，那么氢的储量足够维持超过200亿年。

第五，分散性。

到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。

平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有
1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。

而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右。

因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。

第六，地域的差异性与时间上的不稳定性。

不同地区的太阳能资源因经纬度、地形、气象等条件的不同而有很大的差异，一般来说低纬度地区光照多于高纬度地区，干旱地区多于阴雨地区，海拔高的地区多于海拔低的地区。

到达地表的太阳能受季节、大气质量和天气影响非常大，因此具有不稳定性。

但在比较长的时间尺度上（如一年），太阳能资源仍具有统计上的稳定性和可预测性。

第七，利用效率低和成本高。

目前已有的太阳能技术，技术上已经达到比较成熟的地步，但因为其装置效率普遍偏低，成本较高，经济性还无法与常规能源相竞争。

在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，将主要受到经济性的制约。

三.太阳能发展趋势及现有的技术
太阳能的众多独特特点决定了其广阔的发展前景。

从理论上来说，在未来社会，
现有的太阳能利用方式及技术都将得到进一步发展，新材料、新技术的出现必然会提高
太阳能利用设备效率并降低其成本，届时研究新的利用方式，全面利用太阳能将会是重点。

至本世纪中叶，世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用，随着越来越多国家和地区的政府的重视，太阳能的利用技术势必将获得较大进展。

（一）太阳能热水器目前在太阳能的各种利用中，用太阳能生产热水是在经济上最有希望与常规能源竞争的一种利用方式，这不仅因为太阳能热水器比较简单，价格相对来说不太高，同时还因为生活用热水一般是常年需要的，因而太阳能热水器一年四季均可发挥效益，设备利用率较高。

我国已成为世界上太阳能热水器生产和消费最大的国家。

（二）太阳能电池
太阳能电池材料一般的要求有：1）半导体材料的禁带不能太宽；2）要有较高的光电转换效率；3）材料本身对环境不造成污染；4）材料便于工业化生产且性能稳定。

基于以上几个方面的考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

但随着新材料的不断出现和相关技术的发展，以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

目前，太阳能电池的应用已从军事、航天等高科技领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用。

但是在目前阶段，太阳能电池的成本还很高，大规模使用仍然受到经济上的限制。

（三）太阳能发电
太阳能发电分为光热发电和光伏发电。

通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。

光伏发电系统通常由太阳能电池板方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。

其中最昂贵的是太阳能电池方阵，其原料多为单晶硅。

太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。

采用太阳能光热发电
技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的
成本。

（四）太阳能光电制氢产业随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极实验技术的
发展，使得太阳能制氢成为氢能产业的最佳选择。

氢能具有热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。

随着太阳能制氢技术的发展，用氢能取代碳氢化合物能源将是本世纪的一个重要发展方向。

氢燃烧的发热量是汽油的三倍，只生成水，不污染环境，而且便于储存和运输，属于可再生资源。

因此在未来社会，氢气是取代石油、天然气的最佳燃料。

氢气的制取可以从两方面来考虑，首先地球上水的总量极其丰富，水分解制氢生成氧气不会造成污染，而且理论效率最高，因此水是制氢的最佳原材料；其次太阳能取之不尽、用之不竭，且无污染，可以看出太阳能是制氢的最佳能源，可以预见随着科技的发展，光解水制造氢是最好途径。

绿色植物的光合作用，就是通过叶绿素吸收太阳光，再把光能转化为电能借助电子转移过程将水分解的。

如果把太阳能先转化为电能，则光解水制氢可以通过电化学过程来实现。

（五）太阳能制冷空调
从节能和环保的角度考虑，用太阳能替代或部分替代常规能源驱动空调系统，正日益受到世界的重视。

太阳能空调的最大优点在于季节性好。

夏季太阳辐射强，系统可以产生更多的制冷量，正好满足人们夏季对制冷空调的需求，显著减少常规能源的消耗。

四．我国太阳能的利用
我国幅员广阔，有着十分丰富的太阳能资源。

我国太阳能资源比较丰富，理论上的存储量可达17000亿吨标准煤/ 年。

依我国的国土资源分布来看，能接受太阳能的区域，南从北纬4度的曾母暗沙，北到北纬52.5 度的漠河，西自东经73度的帕米尔高原，东至东经135度的黑龙江与乌苏里江的汇合处，东西、南北的距离都在5000公里之上。

我国国土辽阔，有着丰富的太阳能资源。

全国太阳能辐射总量平均为5852兆焦耳每平米。

我国西部人口稀少、经济欠发达、交通不便的地区是太阳能资源最丰富的地区，如宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海和西藏西部及广阔的沙漠地区，年日照时数为3200-3300小时，如下表为我国各省份的太阳能分布情况。

这类地区可以充分利用当地丰富太阳能资源，采用太阳能发电、
太阳能热力技术发展经济。

表1我国太阳能分布状况
年日寵时年辄射总SU
M .f/ctH2
上翌hk区
一类地反（丰富区）3 200- 3 300 6 690- g 360青藏髙原’甘肃北
部、宁夏北部和新疆
酶部
二叢地区（较丰富区）3 000- 3 200 5 852- 6 690
河北西北部、山西北部、
内直古南部、宁良南部、
片亦1中部、青海东部、
西藏束南部和新餾南部
三类地区（中号区）2 3 000 5 016- 5 $52
山东、河南，河北东南部、
山西南部、新廻北部、吉
怵、辽宁*云南*陕两北
部、甘谦南部、广东南部、
福建南部、江苏北瓠安微
北部
凹类地|£｛较卷区）1 400- 2 200 4 I8D« 5 016
长江中下游，福建s 浙江
和广东的…部仆地区
五类地区
（最差区）
1 000- 1 4003 344- 4 ISO四川*贵州两省
基于太阳能发电厂的现实条件，我国有可能也有必要充分利用荒漠地区来发展太阳能事业。

太阳能基地需要占用的土地通常比较大，这项技术的研发不可能占用城市土地或是农村耕地，它更适合在广阔的沙漠地带进行。

开辟贫瘠、干旱、沙化的国土区域，用
于太阳能的开发与利用较为适合。

五．结束语
进入21 世纪以来，世界各国都十分重视太阳能利用技术的开发，我国因相对较好的地理位置而拥有丰富的太阳能资源。

充分开发利用太阳能资源将发展成为节省和替代常规能源的有效措施，是实现能源可持续发展战略的必由之路。

根据有关部门的预测，到2050 年左右，太阳能将超过石油天然气等其他常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表，进而在人类的生产、生活和社会发展中扮演重要的角色。

在未来社会，随着现有太阳能利用技术的发展成熟，社会生产生活用电可以凭借全球电网由地面光伏电站甚至空间电站共同提供，交通工具能够以太阳能制造的氢气为动力燃料，人类生活建筑能够利用太阳能取暖制冷，这样资源既得到有效利用，全球环境问题也得到改善。

到时，人类将会真正进入一个清洁高效的太阳能社会。

参考文献
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2. 王革华、田雅林、袁靖婷《能源与可持续发展》化学工业出版社2005
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4. 赵玉文21 世纪我国太阳能利用发展趋势[J] ．中国电力，2000，33(9) ：73—77。