太陽能的開發和應用

王彪

摘 要：能源是人類社會活動的物質基礎。新能源的開發利用是人類的共識。太陽能是一種清潔的自然再生能源，取之不盡，用之不竭。開發和利用太陽能，既不會出現大氣的污染，也不會影響自然界的生態平衡，而且只要陽光所及的地方，都有太陽能可以利用，太陽能以其長久性、再生性、無污染等優點備受人們的青睞。與此同時，在當今世界，常規能源逐漸減少，而世界人口卻逐年增長，科學技術迅速發展，在不久的將來，現有的能源轉換系統將不可避免地會發生巨大變革，無疑會利用一些新能源，而太陽能就會起到重要作用。可以預見，在21世紀，太陽能將會成為較為重要的動力源。開發利用太陽能是人類社會長期追求的目標。而本文將介紹一下太陽能的特點、發展歷史及當前的發展狀況，討論太陽能利用的發展趨勢及其前景，還有關于太陽能的利用和它的發展將會給人類的生產、生活和社會發展帶來的意義。

關鍵詞：太陽能；開發利用；發展前景

一、引言

新能源是21世紀世界經濟發展中最具決定力的五大技術領域之一。隨著世界經濟的快速發展，對能源需求逐年增長，而地球上以石油和煤為主的礦物資源日漸枯竭，能源已成為制約各國經濟發展的瓶頸。同時，隨著化石燃料的燃燒，所產生的二氧化碳在大氣中的濃度急劇增加，生態環境逐漸惡化，使地球逐漸變暖。隨著人類社會的發展，改善生態環境的呼聲越來越高，開發利用無污染的新能源，對促進社會文明與進步，發展經濟，改善人民生活具有重大的意義。太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，在日常生活中受到了各國政府的重視，各國都將太陽能資源利用作為國家可持續發展戰略的重要內容。

二、太陽能發展歷史

據記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。而將太陽能作為一種能源和動力加以利用卻只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”、“未來能源結構的基礎”，則是近來的事。20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異。近代太陽能利用歷史可以從1615年法國工程師所羅門？德？考克斯在世界上發明第一臺太陽能驅動的發動機算起。這是一臺利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而抽水的機器。在1615年～1900年之間，世界上又研制成多臺太陽能動力裝置和一些其它太陽能裝置。

三、太陽能特點

第一，總量巨大。到達地球大氣外層的太陽輻照總強度約為174000tw，其中約30%被大氣層反射回外太空，其余到達地表的能量被大氣、陸地、海水、植被等吸收，約為每年3.8×1024j，這相當于全世界2009年全部能源消耗（4.7×1020j）的8000倍，也就是說地球表面一小時接收的太陽能足夠人類一年使用。若排除海洋、森林、冰川等地區，僅計算適于利用太陽能的陸地面積，大約有600tw的太陽能資源可用，即每年1.9×1022j，總量上滿足世界能源需求全無問題。而其他形式的可再生能源及核能的豐度遠不及太陽能，均無法單獨依靠自身滿足能源需求缺口。第二，清潔無排放。獲取和利用太陽能的過程本身不會產生任何污染物的排放，也不會留下殘余物。第三，取之不盡，用之不竭。太陽能來自于太陽內氫元素聚變為氦元素的熱核反應。太陽的質量約為2×1030kg（是地球質量的33萬倍），其中約3/4為氫元素，根據目前太陽熱核反應速率，每秒有6.57×1011kg的氫聚合生成6.53×1011kg的氦，那么氫的儲量足夠維持超過200億年，而地球的壽命估計為50億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是取之不盡，用之不竭的。第五，能量密度低。雖然太陽能總量豐富，但輻射強度低，到達地球大氣層上沿的太陽輻射強度約為1400w/㎡，經過大氣層后，地表平均的峰值日照強度僅為1000w/㎡。因此利用太陽能發電相對占地比較大，目前即使采用效率較高的晶體硅太陽能組件，僅建設裝機容量1萬千瓦的太陽能電站平均占地達

250～300畝（1畝=666.67m2，下同）。而一座200萬千瓦的火電站占地約4200畝，平均每萬千瓦占地2l畝。一座1200萬千瓦裝機容量的核電站占地約12000畝，平均每萬千瓦占地10畝。

四、太陽能發展趨勢及其前景

太陽能的眾多獨特優勢決定了其廣闊的發展前景。從理論上來說，在未來社會，現有的太陽能利用方式將會得到進一步發展，新材料、新技術的出現必然會使得太陽能利用設備效率高且成本低，而到時研究新的利用方式，全面利用太陽能將會是重點。至本世紀中葉，世界范圍內的能源問題、環境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發利用，隨著越來越多國家的政府和有識之士的重視，太陽能的利用技術也有望在短期內獲得較大進展。

太陽能電池材料一般的要求有：1）半導體材料的禁帶不能太寬；2）要有較高的光電轉換效率；3）材料本身對環境不造成污染；4）材料便于工業化生產且性能穩定。基于以上幾個方面的考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。但隨著新材料的不斷出現和相關技術的發展，以其他材料為基礎的太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

參考文獻：

[1] 世界能源理事會《新的可再生能源.未來發展指南》海洋出版社 1998

[2] 王榮光、沈天行《可再生能源利用與建筑節能》機械工業出版社 2004