太阳能能量转化过程机制

太阳能能量转化过程机制

当代社会最广泛使用的能源是煤炭、石油、天然气和水力，特别是石油和天然气的消费量增长迅速，但是石油、天然气的储量是有限的。许多专家预言，石油和天然气的资源将在30年，最多50年内耗尽。太阳能作为一种被公认为未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源新能源，得到世界各国的大力开发利用。

太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量，相当于500多万吨煤燃烧时放出的热量；一年就有相当于170万亿吨煤的热量，现在全世界一年消耗的能量还不及它的万分之一。但是，到达地球表面的太阳能只有千分之一二被植物吸收，并转变成化学能储存起来，其余绝大部分都转换成热，散发到宇宙空间去了。太阳能的利用方式有以下几种：光-热转化、光-电转化、光-化学转化和光生物利用。

一、光-热转化

光-热转化就是太阳能的热利用，通过太阳集热器，将太阳光辐射转化成热能，并加以利用。太阳能热利用可以直接利用太阳能散热，也可以利用热做功，转化成其他形式的能量，其核心是将太阳辐射转化成热能的集热系统。

如图所示的一个平板集热系统，显示了其热吸收和热损失。由此可以看出，集热器吸收的太阳辐射除了一部分被传热介质带出，成为有用能量外，一部分通过集热器材料向环境辐射等损失，还有一部分储存在集热器内。集热器采光面积、单位面积的介质质量流量、传热介质的定压比热容越大，获得的有用能量就越大，其温度与环境温度相差越大，有用能量也越大。

我们通过太阳能热能利用系统，来吸收、储存和利用太阳能。由于太阳能分散和不稳定的缺点，储热系统成为其中非常重要的组成部分，也是目前最薄弱的环节。当吸集热器吸收太阳辐射，向系统传递有用热时，可以利用物质吸收热量温度上升的原理来存储热量，比如比热容比较大的水。也可以利用相变吸收热量的物质存储热量，比如一些无机水合物。当需要使用这些能量的时候，可以直接使用温度较高的水作为生活用水，也可以将存储的能量释放出来，通过热机将热能转化成机械能，再转化成电能加以使用。

二、光-电转化

光-电转化主要是利用太阳能电池（半导体材料）将光能直接转化成电能，能量转化的基础是半导体材料组成p-n结的光生伏特效应。其具体的转化机制是当能量大于禁带宽度的光子照射到半导体材料上时，电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴，对并受由掺杂的半导体材料组成的p-n结电场的吸引，电子流入n

区，空穴流入P 区。如果将外电路短路，则在外电路中就有与入射光通量成正比的光电流通过。

目前世界上广泛使用的是晶体硅太阳能电池。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。如图所示的太阳能电池阵列，这些电池都是通过将光能直接转化成电能，经过电力传输系统并入电网，向用户输送电能。

三、光-化学转化

光-化学转化是指在催化剂的作用下，将太阳能转化为化学能的方法，主要是用光分解水制氢。

水分解成氢气和氧气是自由能增加的非自发反应过程，因此，在标准状态下要分解水必须提供足够的能量，相当于吸收500nm 以下的光，因此水几乎不吸收可见光。以2TiO 为例：2TiO 是一种具有半导体催化性能的材料，当加入助催剂后便具有光催化分解水的活性，能有效地降低2H 和2O 析出的过电势，促进电子和空穴的有效分离，提高光催化分解水的效率。

由此实现了光能到化学能的转变。

四、光生物利用

光合作用是地球上最大规模的利用太阳能把二氧化碳和水等无机物合成有机物并放出氧气的过程。植物通过光生物转化，将太阳光能转变为化学能贮存在植物体内，它几乎为所有的生命活动提供有机物、能量，它是地球氧气的主要来源。当今人类社会所需的化石燃料煤、石油和天然气，都是古代植物光合作用的直接或间接产物。

光生物利用是多方面的，利用光合作用生产环境洁净的电能、氢能以及液燃料来满足能源的需要，例如沼气发电、藻类产氢和生物柴油，这些以生物质为载体的形式存储的太阳能叫生物质能。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%，光生物利用具有广阔的应用前景。

纵观当今世界能源利用状况，我们仍然以化石燃料作为主要能源，对环境的破坏极大，并且面临着枯竭。当今世界的一个重要矛盾就是全世界日益增长的能源需要和能源日益匮乏之间的矛盾，太阳能可以说是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，就我认为，乐观估计的话，太阳能将会是21实际中后期全世界的主流能源。不过，等到这一天还有很多问题急需解决。

目前太阳能的利用主要集中在光-热转化方面，比如广泛使用的太阳能热水器，但这类利用效率还是比较低的，不便于能量的储存，而且感觉对电能的依赖比较强。比如用太阳能热水器时，如果用水量较大或者天气不好，还是得依靠电能烧水。这也是由太阳能自身的缺点造成的，即能流密度较小，而且随天气变化不稳定。不过这是可以解决的，我们可以尝试利用太空中的太阳能。因为太空中的太阳能流密度大的多，而且不受天气变化影响，所以在未来，这应该是可以很

有前途的能源利用。随着现在远距离能量传输设备的不断改进提高，在不远的将来，我们可以将太阳能电池发射到太空中去，吸收太阳辐射，再以电磁波的形式发射到地球以供利用。另外，由于太空中辐射的频率带很宽，这对太阳能电池的要求也小很多。

太阳能电池确实在利用太阳能方面有着很大的潜力，不过在我看来，光生物利用是目前能够有效提高太阳能利用率，缓解能源压力效果最快最好的办法。比如说在我国农村，利用生物质能的传统形式是直接燃烧做饭和取暖，效率非常低。如果推广利用生物质能发电，生产燃料乙醇等项目，将会有明显的成效。不过关键问题在于中国在这方面缺乏核心技术，实行起来有点难度。

中国在很多方面都有着强大的生产力，比如中国是世界上最大的硅晶片生产国，可是骄傲的背后却是中国缺乏核心技术而处于被严重“剥削”的现状。在历史上数次科技大进步中，很多中国人在短期的利润面前迷失了方向，没有自力更生艰苦奋斗的意识，而是吃别人的成果。长此以往，中国在IT行业、海洋行业、冶炼行业等都处于没有核心竞争力的尴尬地位。但是这一次，中国不能再输了！中国必须坚持自主研发，掌握关键技术，在未来的能源竞争中占有一席之地，大家一起来共同努力吧！