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1、,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1.39106千米，质量约为2.2l027
2、吨，约为地球质量的3.32105倍，体积则比地球大1.3106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0.23R0.7R的区域称为“辐射输能区”。0.7R1.0R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
3、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11.5万千米，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
4、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
5、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
6、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.
7、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2.5106千瓦。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
8、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
9、，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
10、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1013提高到1315；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1
11、5.8，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首位，每人约有1平方米。本世纪太阳能热水器将仍然是太阳能热利用的最主要市场之一。目前虽然许多国家都得到了较普遍的应用，但世界太阳能热水器的平均用户比例还非常低，约12，同日本的20和以色列的80相比，相差
12、很远；此外，服务业、旅游业、公共福利事业等中低温热水应用市场也非常大。1997年世界太阳能热水器的市场约7亿美元。2015年世界人口约70亿，如果太阳能热水器的用户比例达到20，社会经济和环境效益将非常显著。（2）太阳能热发电目前太阳能热发电系统主要有3种类型：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，以产生很高的温度；碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到750左
13、右，驱动发动机进行发电。以色列鲁兹公司1985年起，先后在美国加州的沙漠中建成了9个槽式发电装置，总容量354兆瓦。随着技术不断发展，系统效率由起初的11.5提高到13.6,发电成本由26美分每千瓦时，降低到了12美分每千瓦时。而其它两类系统正处在研究开发和示范阶段，其中由于碟式系统光学效率高、启动损失小以及效率高，在3类系统中位居首位。太阳能热发电技术同其它太阳能技术一样，在不断完善和发展，但其商业化程度还未达到热水器和光伏发电的水平。太阳能热发电正处在商业化前夕，预计在2020年前，太阳能热发电将在发达国家实现商业化，并逐步向发展中国家扩展。3、太阳能在我国的利用概况（1）我国的太阳能资源
14、我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量相当于2.4104亿吨标准煤燃烧产生的能量，属于太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属于太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其它地区也为资源较富和中等区。（2）光伏发电我国太阳能电池的研究始于1958年,1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳电池。80年代中后期，引进国外太阳电池生产线或关键设备，
15、初步形成生产能力达到4.5兆瓦的太阳能光伏产业。我国光伏组件的生产逐年增加，成本不断降低，市场也不断扩大，装机容量逐年增加，1999年底累计约15兆瓦。应用领域包括农村电气化、交通、通信、石油、气象、国防等。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电，对发展边远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。西藏共有7个无电县城采用了光伏电站供电，社会经济效益非常显著。二十多年来，我国光伏产业已形成了较好基础，但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，表现为：生产规模小；技术水平较低；成本较高；市场培育和发展较迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、法规、措施。（3）太阳能热
16、的利用太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域，19791998年期间平均年增长率35。1987通过引进铜铝复合吸热板技术并与我国自选研制成功的铝阳极化选择性吸收涂层技术相结合，使我国太阳能热水器产业进入现代化生产阶段。80年代后期，我国先后研制成功全玻璃和热管式真空管集热器并实现了产业化。1998年全国热水器产量约400万平方米，总安装量约1400万平方米，占世界第1位。我国目前太阳能热水器产业已处在商业化良性运作时期，绝大部份热水器企业都有良好的经济效益。目前我国有上千个热水器企业都有良好的经济效益。但户用比例仅3%，与日本和以色列等国家相比，差距很大。到2010年
17、，我国人口约14亿，平均户用面积也将有所增加，热水器总安装量将达到1亿平方米，届时，如有10的住宅安装太阳能热水器，每年可节约310亿千瓦时的电力，这相当于节约1050万吨标准煤，相当于减排3850万吨二氧化碳，这说明了太阳能热水器的经济、环境和社会效益都非常好。四、未来太阳能利用的展望太阳能在未来的主要利用在于太阳能空间发电。空间太阳能发电的构想太阳能发电卫星最早由美国于60年代提出。之后一些学者又纷纷提出其它设想。为了加快实现空间发电的构想。一些发达国家如美、日、法、俄等先后开展了空间电站的可行性论证，并对其中的关键技术无线电能传输技术作了大量的探索工作。总体认为，空间太阳能电站在技术、经
18、济、社会等方面是可行的，有望于本世纪建立初步的空间太阳能发电系统，并于本世纪中叶建立起以月球为基地的太阳能电站作为空间电站的能量转换器件太阳电池应具有较高的转换效率、重量体积比功率以及较强的抗辅照、抗衰退能力，同时要成本低、寿命长，便于安装。我国光伏发电首先应用于空间，已经发射的大多数卫星均采用硅太阳电池供电。我国太阳能电池的研究经历了从单晶硅、多晶硅、片状硅、非晶硅到薄膜硅的发展历程。砷化镓高效太阳能电池也有了较快的发展，正处于实用阶段的前夕。对其它类型太阳能电池也开展了研究，并取得一定进展。目前我国实用性单晶硅电池效率可达15%，多晶硅电池超过10%，非晶硅电池也超过6%。砷化镓电池的实验
19、室效率可达21%，批量生产可达18%。因此，我国已基本具备了太阳能电池的技术基础与空间应用能力。五、影响太阳能利用的因素1、与矿物性燃料的经济竞争这是扩大太阳能利用所面临的主要障碍之一，是初期的太阳能系统与成熟的矿物性燃料系统相比较的经济性能问题。下面3图分别是常规能源系统设计成本图、太阳能热发电和光伏发电的预测成本与常规矿物性燃料电站的预测成本比较图。常规电力价格比较图太阳能热电成本比较图光伏电成本比较图常规电力价格比较图中最上面两条曲线是天然气或燃油电站的成本；太阳能热电成本比较图曲线表明，即使在1990年那种最好的情况下，也无法同大型常规电力系统相比，大约到2010年，中等成本的太阳能热
20、电站才可同中间负荷电站相竞争，到2020年则可同各类条件的常规电站竞争，可以取代基本负荷电站；而光伏电成本比较图表明光伏系统发电成本比较多，即使在最好的情况下，如要大规模应用，在2000年以前光伏发电也没有竞争力。在接近2010年时，中等成本的光伏电站才可与峰值发电竞争；到2O20年，光伏系统可大范围地与峰值负荷电站竞争。上述曲线有较大的不确定性，因为对未来推论中包含许多假设，但也具有一定的参考价值。在边远地区，如果用电规模小，太阳能特别是光伏系统的竞争力现在就比大型发电系统要强得多。今后随着常规燃料价格不断上涨及太阳能设备因大规模生产而导致的成本下降，太阳能的竞争力将不断提高。2、对太阳能发
21、展的投资能力能否找到未来几十年发展太阳能所需的资金，这是非常重要的问题，这一问题在发展中国家尤为突出。据预测，今后10年中发展中国家发展电力工业每年需要的总投资估计至少为1000亿美元。在本世纪初，发展电力需要的投资将占全世界发展能源产业的总投资的70，而电力投资的一半要用于建设输电和配电系统。世界银行及其他资助机构预计只能为发展中国家提供发展电力所需资金的20。因此，必须让私营投资在资助能源发展中发挥更大的作用，最大程度地开发本国的私人投资资源。资金短缺问题对太阳能进入市场的全面影响是难以预测的。从积极方面来说，太阳能光伏系统有潜力为农村和边远地区提供非联网电力，其成本低于外地运燃料或延伸输
22、电线路的成本。对于联网电力以及城市和工业地区来说，在今后10年或20年中，除了资源特别丰富的地区外，太阳能的成本仍是比较高的。因此，广泛利用太阳能反而会使总的能源利用发展速度变慢。目前需要继续为提高能源利用效率增加资金投入，并将一部分用于扩大太阳能市场的投资用于太阳能技术的研究、开发和示范。不过，研究与开发费用一般由发达国家提供。3、太阳能的间歇性太阳能是一种间歇性资源，既有昼夜之差，又随时受到天气变化的影响，这种影响只能通过贮存或远距离输送太阳能产生的能量来加以解决。但是，在常规能源系统努力扩大市场的时候，太阳能的这种时有时无的特点的确会影响它的发展。而常规能源系统则没有间歇性供电的问题。如
23、果间歇性资源在供电系统中只占很小比例时，由于供电系统一般都备有余量，因此从经济角度来看，实际上并不会有什么不便之处。但如果占的比例一旦超过1015，就必须认真对待这一问题。在发电行业，如果间歇性能源在电力供应中占的比例很大，这个系统就必须增加可靠的额外备用容量，以便保持正常运行所需的足够余量。当容量储备很小时，就须增加很大的额外容量，从而使间歇性资源提供的能源的有效成本大幅度上升。在太阳能资源低于平均水平或不充裕的地区，这个问题将直接影响太阳能资源的利用，太阳能技术的进步所带来的成本的降低也会因增加太阳能电站的容量储备所造成的成本的上升所抵消，而常规能源系统只需靠其正常的运行余量就可以解决这一
24、问题。4、需改变人们的生活方式和教育为了使太阳能资源为全球能源供应做出更大的贡献，人们必须认识太阳能的作用并积极支持太阳能的开发利用，使太阳能成为对每个人来说都是十分重要的一种能源。而教育人们了解能源的一般常识及太阳能的优越性，是一项全球性的重要任务，这将需要各国政府和企业给予较多的投资。另外，发展太阳能还需要为设计、安装和维修太阳能设备的人员提高技术技巧。社会和教育方面的限制性因素会延迟新的太阳能技术的推广应用速度。如果推广应用这些技术需要人们大幅度地改变生活习惯或者需要大量培训人员，速度就会更慢，那么太阳能的推广利用则至少需要几年甚至几代人的时间。总结从以上的报告中，我们可以看出，太阳能的
25、利用在当今已占有很重要的地位，在不久的将来，太阳能对人们生活、生产的影响将越来越大，太阳能的利用将有宏伟的前景，它将成为未来的重要能源之一。但是我们也看到，太阳能利用在推广方面能存在不少的障碍，这将会阻碍太阳能的进一步发展，要克服这些缺陷，各国要加大在这太阳能利用方面的投资，加强国际间的互利合作，只有这样，太阳能才能更快的进入人们的生活当中，为人类的发展做出巨大的贡献。附：关于太阳能利用的问卷调查结果以下为在学校以及生活小区附近进行的问卷调查的结果，黑色部分为问卷调查的内容，红色部分为调查后的统计结果：（1）太阳大约还能燃烧多久？1、20亿年4%2、50亿年43%3、100亿年34%4、不知道
26、19%（2）太阳内部进行的反应主要是什么？1、核裂变26%2、核聚变61%3、不知道13%（3）你的家中是否有太阳能电器？如果有，请举例。1、有12%例如：热水器（84%）、计算器（32%）等2、无88%（4）你还见过哪些太阳能的利用？请举例：汽车、卫星、机器人、发电站、热水器、蔬菜大棚、交通灯 等（5）你认为目前影响太阳能利用的主要因素在于：效率低、价格较高、时有时无、技术水平较低、占地大 等（6）你认为在下世纪，太阳能利用占总能源消耗的比例约为：1、10%12%2、30%44%3、50%25%4、80%11%5、90%8%通过以上的问卷调查，可以看出，大部分人对太阳能是有一定的了解的，但是总的感觉太阳能似乎离人们还很远，我们还了解到：大部分人认为太阳能在生活中的利用就是太阳能热水器，这说明对太阳能利用的推广还不够，事实上，太阳能的利用距离人们已经很近，相信在不久的将来，太阳能利用一定能深入到人们的日常生活当中去。