研究性课题太阳能的利用

太阳能的利用

黄宇翔

前言

随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。所谓新能源，要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。而在目前所找到的新能源中，最理想的是大阳能。

因此，我们选择了太阳能的利用作为研究性课题，我们主要从5个方面来对太阳能的利用进行研究：1.太阳的基本结构及太阳能利用的概念；2.太阳能利用的发展历史；3.太阳能的利用现状；4. 未来太阳能利用的展望；5.影响太阳能利用的因素

一、太阳的基本结构及太阳能利用的概念

太阳是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39×106千米，质量约为2.2×l027吨，约为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约占80%）和氦（约占19%）。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递着热量。

太阳的结构如图中所示。太阳的半径设为

R，则在太阳平均半径23％（0.23R）的区域内

是太阳的内核，占太阳全部质量的40％，总体

积的15％。这部分产生的能量占太阳产生总能

量的90％。从0.23R～0.7R的区域称为“辐射

输能区”。0.7R～1.0R之间称为“对流区”。

太阳的外部是一个光球层，它就是人们肉眼所

看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500

千米，密度为10-6g/cm3，太阳能绝大部分辐射

都是由此向太空发射的。光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚度约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。而在“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层”，厚约1～1.5万千米，大部分由氢和氦组成。“色球层”之外则是伸入太空的银白色日冕，温度高达1百万度，高度有时能达到几十个太阳半径。

太阳能利用主要是指太阳能的直接转化和利用。利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成热能称太阳能光伏技术。把太阳辐射能转换成热能的属于太阳能利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域。

二、太阳能利用的发展历史

20世纪50年代，太阳能利用领域出现了2项重大突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池；二是1955年在以色列提出了选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。而近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在21世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到本世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上。

太阳能利用的发展可分为3个阶段：

第一阶段（1615年～1900年），在这一阶段中比较重要的事件有：

1615年，在世界上首次实现把太阳能转换为机械能，该装置是一台利用太阳能加热

空气使其膨胀作功的抽水机。

1774年，在巴黎进行了用两块透镜聚集阳光使金属熔化的表演。

1854年至1874年，世界上第一次用反射镜聚集阳光使锅炉产生蒸汽，推动一台太阳能蒸汽发动机。

1878年，在巴黎世界博览会上展出了一台太阳能印刷机而轰动世界。

在这一阶段中，已经初步成功地实现了将太阳能转换为机械能，但功率不大，且造价非常高，实用价值不大。

第二阶段（1900年～1920年），这个阶段中有代表性的典型事例有：

1901年，在美国加州建造了一台太阳能抽水装置，其聚光器是一个顶部直径约10米，底部直径为4.5米的截头圆锥，产生的蒸汽用来驱动一台蒸汽发动机，最高功率约7.36千瓦。

1911年，在美国宾夕法尼亚州建造了一套规模巨大的动力装置，采用上下方侧翼带反射镜的平板集热器集热。集热器总面积1920平方米，平均输出功率约11.76千瓦1913年，在埃及开罗以南建造了一个太阳能动力灌溉系统，从尼罗河中抽水。共有五个抛物槽形聚光器，每个长62.5米，宽4米，总采光面积达1280平方米。

在这一阶段中，太阳能装置已从单一采用聚光器发展到采用平板集热器，同时装置逐渐扩大，最大输出功率达到73.64千瓦左右，实用目的比较明确，但其成本仍然很高。

第三阶段（1920年～20世纪60年代末），一些典型的事例有：

1950年，前苏联设计完成一个塔式太阳能发电站，用装在轨道上可移动的定日镜跟踪太阳，设计功率为2.5×106千瓦。

1960年，在美国佛罗里达州建成世界上第一套用平板集热器供热的氨—水吸收式空调系统。

在这一阶段里，由于当时矿物燃料的大量使用和爆发了第二次世界大战，世界上太阳能的研究处于低潮阶段，战后，各国又开始重视太阳能研究工作并取得了一些重大的成果，以色列研制成选择性涂层，为高效利用平板集热器奠定了基础；美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，极大地促进了太阳能光伏利用。各国加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，出现了如光谱选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大发展，技术上也逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建设了一批实验性太阳房。

70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家大大加强了对太阳能和可再生能源技术发展的支持。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了一项新的支持光伏发电发展计划，目标要使2000年美国太阳电池的总产量达到1400兆瓦。1992年联合国在巴西召开"世界环境与发展大会"，通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。其它像德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。与此同时，许多国家还从政策上采取措施，鼓励开发利用洁净能源。各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期太阳能发展计划，研究领域不断拓展，研究工作日益深入，取得了大批科研成果。国际间合作也十分活跃，许多发展中国家也开始积极参与太阳能开发利用工作。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

三、太阳能利用的现状

1、太阳能光伏发电

世界光伏组件在过去10几年中，平均年增长率约15％。90年代后期，发展更加迅速，最近几年来平均年增长率超过30％。1999年光伏组件生产达到200兆瓦。在产业方面，各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。商品化电池效率从10％～13％提高到13％～15％；光伏组件的生产成本降到每瓦3美元以下。在该方面，印度正处于领先地位，有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业，年生产组件11兆瓦，累计装机容量约有40兆瓦。

在研究开发方面，单晶硅电池效率已达24.7％,多晶硅电池效率也突破了19.8％。碲化镉电池效率达到15.8％，铜铟硒电池效率约为18.8％。晶硅薄膜电池的研究工作自1987年以来发展迅速，成为了世界关注的新热点。

同时，光伏系统和建筑结合将使太阳能光伏发电向替代能源过渡，成为世界能源结构组成的重要部分。

2、太阳能热利用

（1）太阳能热水器

太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。1998年世界太阳能热水器的总保有量约5400万平方米。塞浦路斯和以色列人均使用太阳能热水器面积居世界