太陽能及其應(yīng)用

魏晨浩

摘 要：太陽能是一種清潔能源和可再生能源，人類利用太陽能的歷史可以追溯到三千年前，但是真正將太陽能視為一種“近期急需的補充能源”、“未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”則是近些年發(fā)生的事。太陽能目前主要有光熱利用和光電利用兩種方式，這兩種方式的技術(shù)進步可以使人類在能源領(lǐng)域的壓力得到緩解。

關(guān)鍵詞：太陽能 應(yīng)用 光熱效應(yīng) 光電效應(yīng)

中圖分類號：TK519 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）11-0-01

太陽能的利用不是一種新興的技術(shù)，它的探索開發(fā)已經(jīng)有了很長久的歷史。從本質(zhì)上來說，地球的主要能量均來自太陽。本文將簡要的介紹太陽能和它的利用。

一、什么是太陽能

太陽內(nèi)部一刻不停的進行著由氫聚合成氦的核反應(yīng)，源源不斷的釋放出大量的能量，不斷的向宇宙輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽能的總量很大，我國陸地表面每年接受的太陽能就相當(dāng)于1700億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)可以維持很長的時間，據(jù)估計可持續(xù)上百億年。相對于人類的有限生存時間而言，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的。

太陽能相比常規(guī)能源，有如下優(yōu)點：1、儲量豐富。每年照射到地表的的太陽輻射能約為130萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是全球每年能耗的20000倍；2、長久性。據(jù)目前的估算，太陽上的氫還足夠進行上百億年的核反應(yīng)；3、普遍性。相較于其它能源來說，太陽能在地球上分布廣泛，可就地取用，節(jié)省了大量的運輸費用；4、潔凈安全。太陽能素有“潔凈能源”和“安全能源”之稱，幾乎不產(chǎn)生任何污染，遠(yuǎn)比常規(guī)能源清潔，遠(yuǎn)比核能安全；5、經(jīng)濟性。太陽能長期使用的成本極低，是21世紀(jì)最清潔廉價的能源[1]。

二、太陽能的發(fā)展歷程

太陽能在20世紀(jì)的發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，可以說是一波三折的。總體看來，大致有55年處于高潮，另外45年處于低谷。第一高潮期：1900-1920年，這一時期主要還是研究太陽能動力裝置，但是聚光手段變得多樣，裝置逐漸擴大；第一低谷期：1920-1945年，由于礦物質(zhì)燃料的大力開發(fā)利用和第二次世界大戰(zhàn)，太陽能的研究工作停滯不前；第二高潮期：1945-1965年，一些有識之士已經(jīng)注意到了化石燃料減少的問題，呼吁人們重視這一問題，從而推動了太陽能研究工作的開展。如1954年美國貝爾實驗室研制成實用型硅太陽電池，為光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；第二低谷期：1965-1973年，太陽能技術(shù)處于成長階段，不成熟，投資大，效果不理想，因此得不到企業(yè)、政府和公眾的支持；第三高潮期：1973-1980年，中東戰(zhàn)爭的爆發(fā)，使世界陷入了能源危機，這導(dǎo)致了許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達的國家開始重新重視太陽能技術(shù)的開發(fā)，世界興起了太陽能研究的熱潮；第三低谷期：1980-1992年，石油價格大幅回落，而太陽能產(chǎn)品價格依舊居高不下，缺乏競爭力，太陽能技術(shù)也沒有太大進步，動搖了一些人開發(fā)太陽能的信心；第四高潮期：1992-2000年，大量化石燃料的使用，造成了環(huán)境污染和生態(tài)破壞，威脅到了人類的生存和發(fā)展。一系列的國際會議表明了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的信心，太陽能技術(shù)的開發(fā)進入了一個新的時期。

三、太陽能的應(yīng)用

1.光熱轉(zhuǎn)換

太陽能光熱轉(zhuǎn)換是指特定裝備內(nèi)的工質(zhì)通過反射、吸收或者其它方式將太陽輻射能集中起來轉(zhuǎn)換為熱能，以滿足人類不同的需要。人們平時接觸到最多的太陽能的利用可能就是太陽能熱水器了，但是看似簡單的利用方式其實蘊含著很多常人看不到的科技成果。

太陽能熱水器是我國光熱轉(zhuǎn)換最成功的領(lǐng)域，主要根據(jù)集熱器的不同分為真空管式和平板式。目前市面上主要是真空管式的熱水器，約占市場份額的90%。

真空管式熱水器的樣子是符合大家對于太陽能熱水器的一貫認(rèn)知的，即上方是保溫水箱，面向太陽一面是一根根的真空管。熱水器基本原理是這樣的：真空管分為兩層，陽光穿過吸熱管外層照射到內(nèi)管的吸熱涂層上，由于兩層管之間是真空絕熱的，所以熱量會全都傳入玻璃管中的水，使之加熱，向上流入保溫水箱內(nèi)，保溫水箱內(nèi)溫度較低的水會沿玻璃管的背光面流下來重新補充進玻璃管，如此不斷循環(huán)，使保溫水箱內(nèi)的溫度不斷升高，就可以使人們獲得熱水了[2]。真空管式太陽能熱水器的優(yōu)點是安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟實惠。帶輔助電的太陽能熱水器，可以全年全天候使用，即使環(huán)境溫度較低，效率仍然比較高，但是缺點是體積龐大，玻璃管易碎，管中易結(jié)水垢、結(jié)冰，不能承壓運行。

平板式相較于真空管式，體積小、質(zhì)量輕、壽命長、故障少、安全性高，但是也有自己的缺點，由于結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致傳熱效率低一些，非真空導(dǎo)致保溫性能差。在南方冬季不結(jié)冰的地區(qū)，平板式的太陽能熱水器表現(xiàn)優(yōu)于真空管式。更大的優(yōu)勢是，真空管式一般需要在屋頂使用，而平板式對安裝空間沒有太多要求，可以安裝在陽臺上或者外墻上。

2.光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換是使用光生伏特效應(yīng)來發(fā)電，所謂光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，是指光照使不均勻半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象[3]。實際應(yīng)用中，光源一般是太陽光，把光轉(zhuǎn)換成電能的元件稱為太陽能電池，為半導(dǎo)體元件。太陽光照射到太陽能電池上時，一部分直接反射，另一部分被電池吸收，吸收的部分中又有一部分變成了熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞，產(chǎn)生了電子—空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子—空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

太陽能電池產(chǎn)品有單晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半導(dǎo)體和層疊太陽能電池這幾種。主要應(yīng)用在如下幾個領(lǐng)域。1、生活用太陽能電源：主要用于邊遠(yuǎn)沒有國家電網(wǎng)的地區(qū)，如牧區(qū)、邊防哨所、海島等軍民生活用電，還有3-5kW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；2、交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號燈、交通警示燈、路燈等；3、通訊領(lǐng)域：太陽能無人值守通訊中繼站、光纜維護站。

太陽能現(xiàn)在基本可以說是一種廣泛應(yīng)用的新型能源，但當(dāng)前市場上的太陽能產(chǎn)品的效率還比較低，大多不超過15%，而太陽能電池的最大理論效率高達85%，可見太陽能產(chǎn)品還具有很大的發(fā)展空間。

參考文獻

[1]閆云飛，張智恩，張力，代長林. 太陽能利用技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 太陽能學(xué)報，2012，33（S1）：47-56.

[2]王光偉，許書云，韓蕾，孫鴻波.太陽能光熱利用主要技術(shù)及應(yīng)用評述[J]. 材料導(dǎo)報，2015，28：193-196.

[3]鄧泉，段昌奎. 光電轉(zhuǎn)換和熱光電轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)和應(yīng)用[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，（02）：127-131.endprint