太阳能

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太阳能

    人类直接利用太阳能,在遥远的古代就已经开始了。至今为止,人类所使用的各种能源,如太阳能、风能、水能、潮汐能、生物能等,都直接或间接来自太阳。而目前广泛使用的矿物燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古储存下来的太阳能。现在所说的太阳能,一般地认为是将太阳辐射能通过收集器和转换系统变为人们可以直接利用的能源。这是科学技术进步的表现,同时也是人们在探求新能源上的重大成果。

    太阳是一个巨大、久远、无尽的能源源泉。太阳是一个直径约139万公里的炽热气体星球,表面温度大约6000度,内部温度估计为800~4000万度,压力可达2×1011个大气压。在这样的高温高压下,太阳内部不停地进行着氢变为氦的热核反应,就像一座不断进行核聚变的反应堆,向外释放出巨大的能量。尽管太阳射向地球的能量只占辐射总能量的22万亿分之一,但每年地球所能接收的太阳能至少为60亿亿千瓦小时,这相当于75万亿吨标准煤的能量,相当于地球上一年内利用各种能源产生的总能量的几万倍。在地球表面所接收的太阳能中,被植物吸收的仅占0.015%,被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002%。可见利用太阳能的潜力是相当大的,开发利用太阳能为人类服务大有可为。

    太阳能是一种极为丰富的能源,勿须运输,又不会污染环境。另外,它不受任何人的控制和垄断。这些优点都是常规能源所无法比拟的。太阳能也有其不足之处,如它的能量密度低,实际利用时需要很大的太阳能收集设备,占地面积大,投资很大;太阳辐射的强度受气候、季节、纬度、海拔等因素的影响,造成太阳能白天供应不十分稳定,夜间收集不到,因而需要配备储能设备,这些因素都制约了太阳能利用的发展。

    本世纪以来,由于新材料技术、电子技术的迅猛发展,给太阳能的利用创造了有利条件,使其得到相当大的发展。从能源利用的长远观点看,除了煤、石油、天然气及核能以外,在21世纪的能源结构中,太阳能必将占据重要的一席之地,成为人类最向往和最理想的新能源之一。

    太阳能的利用一般分光热能转换和光电转换两大类,前者为太阳能的热利用,如太阳灶、太阳能热水器和太阳能发电等;后者利用“光电效应”原理将太阳能直接转换成电能,如太阳能电池。用太阳能发电,可以说是太阳能利用中最有发展前途的一种技术。

    近年来太阳能热利用发展很快,已经制成各式各样的热器,用于取暖、干燥、蒸馏、洗浴、烹调、灌溉、发电等,在工业、农业以及家庭生活等各方面得到广泛的应用。太阳能热利用设备按其结构,可分为聚光式和非聚光式两大类。

    非聚光式太阳能热利用设备,一般利用“热箱原理”或称“温室效应”,将太阳能转换成热能。

    当太阳光投射到玻璃后,大部分进入箱内,涂黑的内表面吸收太阳辐射能而将其转换成热能,而玻璃又能阻挡箱内热能的散失,其他箱壁又是隔热的,使箱内温度不断升高。由于这种设备不能提高辐射强度,热量也会有所损失,因而箱内能达到的温度不太高,通常在200℃以下。

    由于太阳能的能量密度较低,要想获得高温,一般采用能提高入射太阳光的能量密度的聚光式太阳能热利用设备。这类设备常由三大主要部件组成:聚光器、吸收器和跟踪系统。太阳光经过聚光器到吸收器上转变为热能,被吸收器吸收后传给内部的集热介质(如水),提高其温度,再加以利用。由于太阳的位置会随时间而变化,为了有效地聚光,聚光器必须由跟踪系统随时间调整其相对于太阳的位置,以获得较佳的聚光效果。下表简要介绍几种常见的直接利用太阳热能的设备。

   

    热发电:通常所说的太阳能电站,指的是太阳能热电站,这是因为这种发电站先将太阳光转变成热能,然后再通过机械装置将之转变为电能。一般来说,太阳能电站多采用塔式,即在地面上设置许多聚光镜,从不同角度和方向把太阳光聚集起来,集中反射到一个高塔顶部的专用锅炉上,使锅炉里的水受热变成高压蒸汽,用来推动汽轮机,再由汽轮机带动发电机发电。除了塔式太阳能电站外,还有太阳池发电、太阳能汽流电站等,均为利用太阳热能进行发电的装置。

    光发电:通过特殊的光电器件(主要是太阳能电池)将太阳光直接转化为电能,称为太阳能光发电。太阳电池是当前太阳能光电利用的最基本方式,技术成熟,应用广泛,发展迅速,前景广阔。

    用于制造太阳电池的半导体材料已发现十几种,但迄今技术上成熟,可付诸应用的要算硅太阳电池。根据材料不同可分为结晶太阳电池和非结晶太阳电池两种。光电转化效率是衡量太阳能电池的重要指标,其理论极限值为 28%左右。目前一般的太阳能电池可把入射到表面的太阳光的10%转换成电能,最大的可达到20%左右。由于太阳能电池制造工艺很精细,要求很严格,原材料价格较昂贵,因而成本较高。目前普及太阳能电池的关键是大幅度降低成本,同时不断提高光电转换效率。而这正是各国科学家不断进行太阳能电池研究的主攻方向。

    世界上第一台实用型的硅太阳能电池是1954年在美国的贝尔实验室诞生的。随后,1958年就被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。太阳能电池为航天事业发展提供了一种重要的能源动力。我国从1958年开始太阳电池的研制工作,1971年,我国发射的科学实验卫星上装有20多块单晶硅太阳电池组合板,这套太阳电池装置不断向卫星舱内的银锌蓄电池充电,在空间运行了8年,性能良好。世界上90%的卫星使用太阳电池。太阳电池除应用于空间技术外,在地面上可作为小功率特殊电源使用,如无人管理灯塔和海上浮标灯,无线电中继站,山地气象观测站,以及在无电或少电的山区、农村中作为照明电源。

    随着全球能源供应的日益紧张和科学技术的不断进步,太阳能作为一种现实可行的辅助能源,已被人们普遍关注,对太阳能利用的研究工作越来越广泛,越来越深入。

    目前,光热转换和热利用技术已有重大进展。新型的集热器、采光材料不断出现,太阳能的转换效率不断提高,应用范围也不断扩大。太阳能热利用在工农业生产和人类生活中逐渐发挥作用。特别是热能发电,自试验成功后,发展很快。如美国,到1994年,仅在加利福尼亚就建造了商用太阳能发电站11座,总装机容量已达35万千瓦。此外,日本、法国、以色列、意大利、西班牙、中国等国家都建有试验性或实用性的太阳能发电站。90年代,全球大型太阳能发电站已有几十座,并且,多个国家正在投巨资建造或拟建太阳能发电站,如英国、法国等。

    太阳能电池除应用于人造卫星外,其应用范围正在日益扩大。世界上第 一架完全利用太阳能电池作动力的飞机“太阳挑战者号”已经试飞成功,在它的尾翼和水平翼表面上,装置了16000个太阳能电池,产生的电力推动螺旋浆,使飞机飞行。日本、美国、德国、墨西哥等国家均试制成功以太阳能为动力的小汽车。美国甚至有一个大胆的想法,建立一个巨大的空间太阳能电站。其方案是在地球的同步轨道上安置两个5.92×4.93平方千米的太阳能电池列阵,它永远对着太阳,产生的电能转换成微波,再通过巨大的列阵天线送发到地球,地面站再将收到的微波转换成直流电,有效输出可达500万千瓦。此外,太阳能电池还应用于微波通讯、交通信号灯、电视差转、钟表、计算器等许多领域。

    太阳能利用从理论上来讲非常经济,可以满足任何形式的工业加工用热需要。但是从目前的工艺水平来看,效率还很低,而且在太阳能利用的设备中,一些材料还不够理想,成本太高,无法和常规能源竞争。因此,在太阳能利用研究方面,还需作出很大的努力。但我们可以相信,通过世界各国科技工作者的共同努力,太阳能必将在人类的生活、生产中发挥越来越大的作用。