太陽(yáng)能技術(shù)的研究綜述

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(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

新能源技術(shù)是當(dāng)今世界備受關(guān)注的五大技術(shù)領(lǐng)域之一，作為新能源的中堅(jiān)力量-太陽(yáng)能，它的研究和利用是新能源中相對(duì)研究技術(shù)較成熟的技術(shù)之一。地球上的能源大多數(shù)都來(lái)自于太陽(yáng)，所以可以說(shuō)太陽(yáng)是人類(lèi)能源的寶庫(kù)。目前生活中對(duì)太陽(yáng)能的商業(yè)化利用主要有三種類(lèi)型，但是由于太陽(yáng)能的使用還有些沒(méi)有解決的問(wèn)題，如成本高、功率小、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的效率還比較低等，所以導(dǎo)致太陽(yáng)能的利用技術(shù)尚未達(dá)到成熟期。所以解決太陽(yáng)能利用過(guò)程中存在的問(wèn)題，將為人類(lèi)能源的可持續(xù)發(fā)展提供保障[1]。

1 太陽(yáng)能在我國(guó)的分布

太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的核能火爐，想要了解太陽(yáng)能，就要先了解太陽(yáng)的能量來(lái)源、結(jié)構(gòu)、歷史及壽命，事實(shí)上太陽(yáng)的能量來(lái)源于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變，也可以叫做太陽(yáng)輻射能，是一種清潔能源，對(duì)環(huán)境毫無(wú)污染，但是能量卻十分巨大。在我國(guó)太陽(yáng)能利用的前景十分廣闊，這是緣由我國(guó)部分地區(qū)蘊(yùn)藏著十分豐富的太陽(yáng)能資源[2]。

1.1 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布最豐富的地區(qū)

在我國(guó)太陽(yáng)能資源分布最豐富的地區(qū)有甘肅、寧夏的北部，青海、西藏的西部，以及新疆的東部，在這些地區(qū)年太陽(yáng)能的輻射總量可以達(dá)到6680～8400 MJ/m2。其中，西藏的西部太陽(yáng)能資源最為豐富，僅僅少于撒哈拉大沙漠，在世界可以排第二位，日輻射量最高可以達(dá)到6.4 kWh/m2。

1.2 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布比較豐富的地區(qū)

在我國(guó)太陽(yáng)能資源分布比較豐富的地區(qū)主要有要寧夏、新疆、內(nèi)蒙古的南部，山西、河北的北部，青海的東部以及甘肅的中部，平均每年太陽(yáng)輻射總量能夠達(dá)到5850～6680 MJ/m2。

1.3 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布量中等的地區(qū)

在我國(guó)太陽(yáng)能資源分布量中等的地區(qū)，主要有新疆、山西、江蘇、安徽北部，山西、廣東、福建南部，河北、甘肅的東南部，這些地區(qū)的太陽(yáng)能資源年輻射總量能夠達(dá)到5000～5850 MJ/m2。

2 太陽(yáng)能的利用技術(shù)

根據(jù)已有的資料記載，人類(lèi)發(fā)展史上對(duì)太陽(yáng)能資源的利用歷史可以追溯到3000多年以前，但是在人類(lèi)生產(chǎn)史上把太陽(yáng)能資源當(dāng)作能源和動(dòng)力來(lái)利用卻只從300多年前開(kāi)始[3]。

2.1 太陽(yáng)能資源的熱利用

集熱器是太陽(yáng)能熱利用技術(shù)利用的重點(diǎn)技術(shù)，因?yàn)樘?yáng)能輻射能量要依靠集熱器來(lái)進(jìn)行采集，然后通過(guò)加熱集熱管中的介質(zhì)將采集到的太能輻射能量轉(zhuǎn)換成可以直接利用的熱能，介質(zhì)大多是水或者空氣。常見(jiàn)的集熱器有平板型集熱器和聚光型集熱器。對(duì)于最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用的平板集熱器，它可以采集太陽(yáng)輻射能中的直射輻射和散射輻射，但它的缺點(diǎn)是集熱溫度相對(duì)比較低。而對(duì)于改進(jìn)后的聚光集熱器能將陽(yáng)光會(huì)聚在面積較小的吸熱面上，可獲得較高溫度，但其只能利用直射輻射，且需要跟蹤太陽(yáng)。是依靠集熱器對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集，通過(guò)加熱水或空氣將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能[4]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能熱利用的方式主要有以下幾種：

1)通過(guò)使用集熱器采集太陽(yáng)能，直接加熱水和空氣，直接為人類(lèi)社會(huì)生活提供服務(wù)用水，還可以能為北方部分地區(qū)的住房提供供暖熱量，也可以通過(guò)換熱系統(tǒng)為部分地區(qū)的住房進(jìn)行降溫。

2)通過(guò)使用集熱器，集中利用太陽(yáng)輻射能，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室和晾曬干燥設(shè)施中，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供必需的熱能，這種利用方法可以使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施少受天氣變化的干擾和影響；

3)通過(guò)使用集熱器采集太陽(yáng)能輻射能量，然后用于發(fā)電系統(tǒng)，這樣可以減緩傳統(tǒng)能源發(fā)電的壓力。

2.2 太陽(yáng)能的光電利用技術(shù)

太陽(yáng)能的光電利用技術(shù)是將太陽(yáng)輻射能不通過(guò)集熱器轉(zhuǎn)換，而是直接將其轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。這其中包括了多種發(fā)電形式，最常見(jiàn)的又光伏發(fā)電技術(shù)和光感應(yīng)發(fā)電技術(shù)。

光電效應(yīng)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的基本原理，要利用特殊的裝置把光直接轉(zhuǎn)換成電能，這個(gè)裝置就是光伏裝置，也叫太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池最關(guān)鍵的是要產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)部電場(chǎng)，這就要靠各種具有不同電子特性的半導(dǎo)體材料薄膜制成的平展晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)太陽(yáng)光線照入晶體時(shí)，內(nèi)部的電場(chǎng)會(huì)將光產(chǎn)生的電子分離，然后再太陽(yáng)能電池的兩端(頂端和底端)之間形成電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)時(shí)候，連通電路，會(huì)產(chǎn)生直流電流。當(dāng)光線進(jìn)入晶體是，由光產(chǎn)生的電子被這些電場(chǎng)分離，在太陽(yáng)電池的頂面和底面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，若用電路連通，就會(huì)產(chǎn)生直流電流[4]。

在我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用技術(shù)從70年代就開(kāi)始了，但是真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用是在80年代，那時(shí)也是該技術(shù)迅速發(fā)展的年代。我國(guó)在1983年至1987年，這短短的5年內(nèi)先后從發(fā)達(dá)國(guó)家，比如美國(guó)、加拿大等國(guó)家引進(jìn)了七條太陽(yáng)電池生產(chǎn)線。而近些年，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用技術(shù)主要應(yīng)用于國(guó)防通信系統(tǒng)以及邊遠(yuǎn)偏辟的國(guó)家電網(wǎng)尚未覆蓋到的無(wú)電地區(qū)[5]。

2.3 太陽(yáng)能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)

太陽(yáng)能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)主要通過(guò)可逆的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的過(guò)程。在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池、光電解電池和光催化電池。要了解光化學(xué)電池，首先要了解什么是光化學(xué)？光化學(xué)也是化學(xué)的一個(gè)分支，主要研究光和物質(zhì)相互作用引起的化學(xué)反應(yīng)。而光化學(xué)電池，就是利用光照射在半導(dǎo)體和電解液界面，催化促進(jìn)電池的正負(fù)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成電，在電解液內(nèi)形成電流，并使水電離直接產(chǎn)生氫的電池，這種太陽(yáng)電池的正負(fù)極之間其實(shí)并沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是光照射激發(fā)了電子和空穴的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)外電路后，電子與空穴復(fù)合[6]。

3 我國(guó)太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)中存在的主要問(wèn)題

盡管太陽(yáng)能資源有著眾多獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但是開(kāi)發(fā)利用技術(shù)卻仍然未到達(dá)成熟期，尤其是商業(yè)化的利用，這主要是因?yàn)樘?yáng)能的利用設(shè)備的成本較高。雖然近些年新材料新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)必然會(huì)使得現(xiàn)有的太陽(yáng)能利用設(shè)備的成本逐漸降低，利用效率逐漸增大，但是由于太陽(yáng)能的使用還有些沒(méi)有解決的問(wèn)題，如成本高、功率小、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的效率還比較低等，所以導(dǎo)致太陽(yáng)能尚未得到充分的利用。

4 展望

太陽(yáng)能作為一種綠色清潔、高效長(zhǎng)久的新能源，在未來(lái)的利用前景十分廣闊，也是世界各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的能源領(lǐng)域，各國(guó)政府已經(jīng)將太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)作為國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略?xún)?nèi)容。在不久的未來(lái)，太陽(yáng)能資源的集中開(kāi)發(fā)利用技術(shù)無(wú)疑會(huì)使使社會(huì)及人類(lèi)進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代。