太陽能利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

覃彪 劉楊 馬程楓（遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 遵義 563006）

太陽能利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

覃彪 劉楊 馬程楓（遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 遵義 563006）

本文主要介紹了太陽能的重要性、優(yōu)缺點(diǎn)、利用方式及分布特征，通過圖表和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分析了近年來國外和中國的利用現(xiàn)狀，并展望了太陽能利用的前景。

太陽能；利用現(xiàn)狀；光熱轉(zhuǎn)換；光電轉(zhuǎn)換

能源是人類賴以生存的主要條件之一，能源的短缺，尤其是石油、天然氣、煤等一次能源供應(yīng)不足，已成為人類迫切解決的問題，太陽能是一種清潔、高效、環(huán)保安全和可無限使用的可再生新能源，資源總量巨大、分布廣泛、就地取用，是最具競(jìng)爭(zhēng)力、發(fā)展前景最為廣闊的永久性能源。

太陽能資源具有以下優(yōu)點(diǎn)，清潔性：使用清潔、對(duì)環(huán)境影響最小，是最為清潔的能源；普遍性：太陽光能照射到地球大部分面積，分布極廣泛，可就地取用；豐富性：太陽一天放出的能量就夠用一年，可利用量非常巨大，其總量具有“無限性”。太陽能資源也有以下缺點(diǎn)，分散性：?jiǎn)挝幻娣e的能源密度相對(duì)較低，各國和地區(qū)差異大；效率低：目前利用裝置的效率低，而成本還比較高；不連續(xù)性：由于受到地理、天氣、季節(jié)等不確定條件限制，存在不連續(xù)、不穩(wěn)定的狀況，使用時(shí)受到一定限制。

1 太陽能的利用方式

太陽能的利用基本上有以下幾種方式，光—熱轉(zhuǎn)換利用、光—電轉(zhuǎn)換利用、光—生物轉(zhuǎn)換利用和光—化學(xué)轉(zhuǎn)換利用幾大類[1]，其中光—熱轉(zhuǎn)換利用是現(xiàn)今應(yīng)用最廣、成本最低、技術(shù)最好的；光—化學(xué)轉(zhuǎn)換利用目前還處于初級(jí)階段，大規(guī)模應(yīng)用較少。本文著重介紹全球和中國的光—熱轉(zhuǎn)換和光—電轉(zhuǎn)換利用的現(xiàn)狀。

1.1 “光—熱”轉(zhuǎn)換

“光—熱”轉(zhuǎn)換利用是指把太陽輻射能用集熱器收集起來轉(zhuǎn)換成為熱能,用熱能來為人類服務(wù)[2]。“光—熱”轉(zhuǎn)換利用分為低溫利用（太陽能熱水器）、中溫和高溫利用[3]。在“光--熱”轉(zhuǎn)換利用中，現(xiàn)今太陽能熱水器是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性最好的；太陽能熱水器是利用太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能，用熱能加熱水的原理，來供給人們熱水[4]。太陽能熱水器是由集熱器、保溫水箱、支架、連接管道等部件組成[5]，其集熱器可以分為平板型、集光型、選擇吸收膜等幾種。

1.2 “光—電”轉(zhuǎn)換

“光—電”轉(zhuǎn)換利用是指將太陽能資源轉(zhuǎn)換成為電能，包括太陽能的光熱發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電[6]；“光—電”轉(zhuǎn)換主要有兩種利用方式，一是光能—熱能—電能的轉(zhuǎn)換，利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能來發(fā)電[7]；它的原理是使用集熱器來收集太陽輻射能量，把收集的熱量變成熱流體傳輸至蒸汽機(jī)中，利用能量來帶動(dòng)大型電伏組機(jī)器產(chǎn)生可利用的直流電或交流電。

二是光能—電能的轉(zhuǎn)換，它的主要原理是在光照之下，把太陽能電池組產(chǎn)生的電能給蓄電組充電或者直接給用電機(jī)器提供電能，這種發(fā)電方式也叫光伏發(fā)電。光伏發(fā)電主要是由太陽能電池板、控制器、逆變器三大部件組成，其中太陽能電池板起到核心作用，它是光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臉屑~[8]。太陽能電池板是一個(gè)半導(dǎo)體組件，有陽光照射在上面時(shí)，半導(dǎo)體組件將光能轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)若干個(gè)電池板串聯(lián)或并聯(lián)組成電池方陣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大功率的電流[9]。

1.3 “光—生物”轉(zhuǎn)換

“光—生物”轉(zhuǎn)換利用是指綠色植物或某些細(xì)菌通過一些列復(fù)雜光合反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)變成儲(chǔ)存在體內(nèi)的化學(xué)能，它是自然界最大規(guī)模的太陽能轉(zhuǎn)換利用過程；現(xiàn)有巨型海藻、速生植物、油料作物等。

1.4 “光—化學(xué)”轉(zhuǎn)換

“光—化學(xué)”轉(zhuǎn)換利用是指將光輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程；例如，光分解水制氫過程，由于氫反應(yīng)后生成水，對(duì)環(huán)境無任何影響，故光分解水來制氫是“光—化學(xué)”轉(zhuǎn)換利用中最理想的過程，它可以通過以下三種途徑來進(jìn)行，一是光電化學(xué)池，二是光助絡(luò)合催化，三是半導(dǎo)體催化[10]。

2 國外利用現(xiàn)狀

2.1 全球太陽能分布特征

太陽能資源在地球上的分布差異比較大，輻射量強(qiáng)的區(qū)域有非洲的北部、撒哈拉地區(qū)、澳大利亞、歐洲的南部、美國的西南部、中國的西南部等；非洲南部地區(qū)、歐洲中部、南美洲南部等輻射量也很強(qiáng)[11]（圖1）；而南北兩極為輻射量貧乏地區(qū)。

圖1 全球太陽能分布圖

2.2 “光—熱”轉(zhuǎn)換利用現(xiàn)狀

太陽能熱水器是“光—熱”轉(zhuǎn)換的重要利用，在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器是技術(shù)最為良好的大規(guī)模行業(yè)，其優(yōu)越性超過電熱水器、燃?xì)鉄崴鳌庥锰柲軣崴髦饕脕砉┡浯问枪崴袊饕枪崴┡€處于初級(jí)階段[12]；在使用類型上，美國的太陽能熱水器主要是低溫非玻璃熱水器和玻璃熱水器，低溫非玻璃占據(jù)大部分市場(chǎng)，波蘭、西班牙、印度等國主要使用的是平板式集熱器；在熱水器安裝率方面，塞浦路斯、奧地利、以色列等人均安裝率排在全球前幾位，而中國的人均安裝率很低；中國使用的屋頂熱水器是全球最多的國家，占到總用量的60%；中國熱水器產(chǎn)量為全世界之最。

2.3 “光—電”轉(zhuǎn)換利用現(xiàn)狀

光熱發(fā)電是“光—電”轉(zhuǎn)換利用中技術(shù)最成熟的，在節(jié)能減排、低碳環(huán)保等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)；光熱發(fā)電的市場(chǎng)分布在非洲的北部、撒哈拉地區(qū)、歐洲的南部等太陽能輻射量大的地區(qū)。

光熱發(fā)電的進(jìn)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：二十世紀(jì)中后期開始大量研發(fā)，但由于資金、政策等影響仍然沒有大的進(jìn)展，二十一世紀(jì)初有突破性進(jìn)展，到2007年不同國家政策支持市場(chǎng)開始復(fù)蘇，2009年數(shù)國聯(lián)合啟動(dòng)了“沙漠太陽能計(jì)劃”，由于多種因素實(shí)施受阻，但光熱發(fā)電受高度重視，到2010～2015年裝機(jī)量快速增長(zhǎng)，全球迅速發(fā)展。主要表現(xiàn)在全球太陽能光熱裝機(jī)量的變化上，從2005年到2008年全球裝機(jī)量?jī)H為600 MW左右，基本上沒有增長(zhǎng)，2009年比2008年增長(zhǎng)100 MW左右，而2010年突增至1200 MW，2010年以后呈直線上升，2012年裝機(jī)總量突破2500 MW，2013年的達(dá)到3800 MW（圖2），截至2015年底，全球的裝機(jī)量已達(dá)到5 GW（主要集中在美國、西班牙）。現(xiàn)今，全世界最大的光熱市場(chǎng)在西班牙，在2007～2013年間由于政策的影響，光熱裝機(jī)量得到了大幅度增長(zhǎng)，光熱發(fā)電成為重要的可再生能源項(xiàng)目；美國是第二大光熱發(fā)電市場(chǎng)，其裝機(jī)總量位列全球第二位；2014年以后，光熱市場(chǎng)將繼續(xù)快速發(fā)展，光熱發(fā)電市場(chǎng)已開始由美國、西班牙轉(zhuǎn)向印度、澳大利亞、中國、智利和中東等國家和地區(qū)[13]。

圖2 2006—2015年全球太陽能光熱裝機(jī)量（MW）數(shù)據(jù)來源：IRENA

光伏發(fā)電是“光—電”轉(zhuǎn)換利用中的重要領(lǐng)域，具有污染小、無噪聲、安全經(jīng)濟(jì)、維護(hù)便易等特點(diǎn)，光伏發(fā)電將成為全球的重要發(fā)電方式之一，進(jìn)入全面開發(fā)利用階段。光伏發(fā)電從2004年開始快速發(fā)展，其關(guān)鍵元件光伏電池，在2004年全球的產(chǎn)量只有1250 MW左右，2008年達(dá)到7920 MW，2010年突增至27400 MW比上一年的12450 MW提升了45.4%，而2011年時(shí)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到了37200 MW,截至2015年底，全球累計(jì)光伏裝機(jī)容量超過230GW，過去10年年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到42%。其中中國的光伏電池產(chǎn)量占全世界的50%以上，高居世界首位（圖3）[14]。

圖3 2004—2011全球太陽能電池產(chǎn)量圖[15]

3 中國太陽能利用現(xiàn)狀

3.1 中國太陽能分布特征

中國是太陽能輻射能高、分布廣泛的國家之一，如西藏的輻射量居全球第二，除極少幾個(gè)省外都可大力開發(fā)太陽能資源，按年輻射量可分為以下地區(qū)（表1）：

表1 中國太陽能分布情況[16]

較豐富區(qū)最豐富區(qū)5500～6800 6800～8400寧夏、內(nèi)蒙古、山西等甘肅、青藏高原、內(nèi)蒙古等

3.2 “光—熱”轉(zhuǎn)換利用現(xiàn)狀

中國的“光—熱”轉(zhuǎn)換利用中技術(shù)最為成熟是太陽能熱水器，像太陽雨、皇明、四季沐歌、桑樂、美的、海爾、天普、清華陽光、華揚(yáng)、澳柯瑪?shù)葻崴魇俏覈哂挟a(chǎn)業(yè)規(guī)模、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、低碳環(huán)保的有影響力的品牌。2004～2012年間中國太陽熱水器快速發(fā)展，熱水器產(chǎn)品和產(chǎn)值快速增長(zhǎng)，產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定上升。2004年中國熱水器產(chǎn)量大約為1250萬平方米，2006年為1750萬平方米，2007年產(chǎn)量增長(zhǎng)到2200萬平方米，比2006年增長(zhǎng)大約26%，成為全世界最大熱水器生產(chǎn)和使用大國；2009年隨著家電下鄉(xiāng)政策支持,中國熱水器產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，這一年產(chǎn)量高達(dá)4150萬平方米，比2008年增長(zhǎng)了大約34%；雖然在2010年熱水器產(chǎn)量約為4800萬平方米，比上年增速減緩了18個(gè)百分點(diǎn)，2012年產(chǎn)量約為6350萬平方米，比上年增速又減緩了7個(gè)百分點(diǎn)；但從2004到2012年間熱水器產(chǎn)量都保持20%左右年均增長(zhǎng)率，熱水器行業(yè)已形成了較完備的體系，中國已成全球最大熱水器市場(chǎng),銷量和消費(fèi)量都排在全球前列[17]（圖4）。

圖4 2004—2012年中國太陽能熱水器產(chǎn)量（萬M2）

中國熱水器市場(chǎng)是全球唯一的商業(yè)化運(yùn)作最好的市場(chǎng)，熱水器市場(chǎng)中國占60%以上；在全球安裝面積上中國占了50%左右，新增裝機(jī)量上占了60%左右。但在發(fā)展中也面臨一些問題，一是技術(shù)質(zhì)量問題，許多小公司技術(shù)低，質(zhì)量得不到保證，只靠?jī)r(jià)格戰(zhàn)存活；二是規(guī)模問題，雖有幾千家公司生產(chǎn)熱水器，但除像皇明、海爾等十多家公司外，大多不成規(guī)模，沒有研發(fā)創(chuàng)新能力[18]。

3.3 “光—電”轉(zhuǎn)換利用現(xiàn)狀

中國的太陽能資源分布廣范，有條件大規(guī)模發(fā)展光伏行業(yè)，光伏發(fā)電已成為我國新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。中國光伏發(fā)電行業(yè)從2004年進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，光伏電池產(chǎn)量和裝機(jī)量逐年上升；2008～2010年在國家能源項(xiàng)目和政策扶持下，光伏發(fā)電量快速增長(zhǎng)；2011年時(shí)雖然遇到全球光伏市場(chǎng)低迷和“美國雙反”等不利因素，但光伏發(fā)電量仍然保持35%左右的增長(zhǎng)速度。光伏發(fā)電的電池產(chǎn)量在2005年約為140 MW,2007年產(chǎn)量超1000 MW；2009年電池產(chǎn)量達(dá)4500 MW，比上一年增長(zhǎng)了約65%；2010年電池產(chǎn)量突破10000 MW，比上一年增長(zhǎng)了約6100 MW；2014年電池產(chǎn)量33500 MW，2012年以后我國產(chǎn)量占了全世界的45%以上，成為全球最大的生產(chǎn)國、出口國（圖5）[19]。

中國光伏發(fā)電的全國裝機(jī)量在2005年只有約70 MW，2007年為100 MW；2007到2010年逐步穩(wěn)定增長(zhǎng)到800 MW，2011年以后突增猛漲，2011年達(dá)到3300 MW，比2010年增長(zhǎng)了約2500 MW；2012年達(dá)到6800 MW，比2011年增長(zhǎng)了3500 MW；到2014年突破了18000 MW，比2013年增長(zhǎng)了近11200 MW；2015年，中國裝機(jī)量為15GW，相比去年同比增長(zhǎng)37%（圖6）[20]。

圖5 2005—2014年中國太陽能電池產(chǎn)量及增速走勢(shì)數(shù)據(jù)來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)

圖6 2005—2013年中國太陽能光伏裝機(jī)量（MW）

4 前景與展望

從近幾年全球太陽能利用現(xiàn)狀看，雖然利用加大，產(chǎn)量劇增，但太陽能利用率占能源利用總量的比重還很小，存在儲(chǔ)存難、效率較低、投資大等問題；從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，對(duì)太陽能的投資、開發(fā)將會(huì)不斷加大，各國政府都將太陽能資源作為國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，這將有利改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)、克服能源緊張、抑制全球變暖、改善生態(tài)環(huán)境達(dá)到綠色環(huán)保目的。總體上來說，太陽能資源在人類生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中將起非常重要的作用，將成為人類必不可少的重要能源，發(fā)展前景十分可觀。

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